南通地区酸雨变化特征及影响因素分析

缪明榕， 周红根， 王 辉， 鲍磊磊， 王剑林， 汤建国

(1.南通市气象局,南通 226001；2.江苏省气象探测中心,南京 210008；3.启东市气象局,启东 226200；4.如皋市气象局,如皋 226500 )

酸雨是由大气中的污染物经过大气化学和大气物理反应,在水凝过程中受一些污染物的催化作用溶解于水,并伴随降水沉降到地面的现象[1-2]。大气中的污染物主要是工业化进程中燃烧排放的SO2、NO2,此外,还有机动车排放的尾气等[3]。由于社会的发展大气中污染物排放增加,酸雨渐渐成为一个严重的环境问题,且呈向全国扩大趋势。中国环保部和中国气象局前后于1982年和1989年开始在全国进行酸雨观测[4]。已有学者研究表明,20世纪80年代以来中国已经是继北美、欧洲成为世界范围内第三大酸雨区,而中国的长三角地区是中国最严重的酸雨区[5]。2010年，汤洁等[6]对中国降水酸度的变化趋势进行了研究,指出中国南方在1992—2006年期间酸雨经历了一个由严重到改善又再次恶化的过程,其中长三角地区的降水酸性明显增强,逐步成为中国南方地区的重酸雨区之一。

现利用2007年4月—2018年10月南通地区3个观测站的酸雨观测资料,分析南通地区年、季、月变化特征及12 a平均状况的酸雨变化规律,利用酸雨观测的长期资料进一步统计分析酸雨发生与气象因子的关系,并结合南通环境监测站监测的大气污染物排放数据进行初步归因探讨分析。

1 资料来源及研究方法

酸雨资料(包括每次降水的pH、电导率、降水量)采用2007年4月—2018年10月南通地区3个酸雨观测站观测资料。3个酸雨观测站分别位于吕四国家基准气候站、南通国家基本气象站、如皋国家基本气象站内。根据中国气象局环境状况公告标准,当降水pH<5.6时为酸雨,其中pH<4.5时为强酸雨,4.5≤pH<5.6时为弱酸雨,pH≥5.6时为非酸雨[12]。根据中国气象局酸雨观测业务规范,对降水日降水量达到1.0 mm或以上的样品,进行pH、电导率和降水量的测量。采用汤洁等[13]提出的K-pH不等式方法,对所有检测样品数据进行了校验和订正处理,求算降水pH、电导率、(强)酸雨频率及降水量等。基于3个观测站的酸雨逐日观测资料,结合降水当日主导风向、降水强度、以及大气污染物资料分析酸雨发生与气象因子之间的统计关系。

主导风向资料为2007—2018年降水当日08:00或20:00时850 hPa主导风向的资料。

大气污染物资料为南通市环保局2017年逐日的 SO2、NO2、PM10和PM2.5浓度资料,仅分析南通站降水当日的降水pH跟当日SO2、NO2、PM10和PM2.5浓度关系。

2 结果与分析

2.1 南通地区各站酸雨状况

根据江苏省气象局气象观测要求,从2007年4月1日开始,吕四国家基准气候站、南通国家基本气象站、如皋国家基本气象站进行酸雨观测。表1为2007—2018年12 a间南通地区吕四站、南通站、如皋站3个站酸雨状况。由表1可知,12 a间吕四站平均酸雨频率达到72%,其中强酸雨占31.9%,降水平均pH为5.06,电导率为61.4 μs/cm；南通站平均酸雨频率占54.6%,其中强酸雨13.6%；如皋站平均酸雨频率占50.1%,其中强酸雨12.6%。总的看来,南通地区3个观测站都有酸雨出现,出现的频率都在50%以上。从酸雨频率和强酸雨频率看,吕四站的酸雨概率大于其他2个站；从降水pH看,吕四站也是3个站最低的；电导率可反映降水受污染的程度,3个站的降水受污染程度都差不多,都在60 μs/cm左右。与长三角地区其他城市相比,南通地区出现的酸雨和强酸雨频率均相对较低[14]。

2.2 酸雨年变化特征

图1所示为2007～2018年吕四站、南通站、如皋站逐年年均降水pH、电导率、(强)酸雨频率、累计酸雨量和降水总量变化[15]。由图1(a)可知,吕四站年均降水pH为4.39～5.56,最小值发生在2008年。2013年之前,年平均降水pH均低于5.2,而在2013年之后，除2016年外,年平均降水pH均

表1 2007—2018年南通地区各站酸雨状况Table 1 Acid rain in various stations in Nantong area from 2007 to 2018

高于5.2,且pH呈逐年上升的趋势。从电导率看,年均为53.7～75.5 μs/cm,总体趋于平稳。年均酸雨频率和强酸雨频率也都有较明显的降低,2010年之后酸雨频率基本低于70%,除了2013年。2014年后强酸雨频率基本低于10%。从图2(a)可知,2007—2013年累计酸雨量占降水总量比例基本在85%左右,2014年后两者比例明显降低,除了2018年,两者比例有所增加。总体来看,吕四站2014年之后酸雨污染逐渐减轻。从图1(b)可知,南通站年均降水pH=4.73～5.87,最小值发生在2008年,2009年之后,年均降水pH趋于平稳且略显增大,即说明降水酸性程度减轻。从电导率看,年均为50.2～70.7 μs/cm,总体趋于平稳。年均酸雨频率为16.7%～82.9%,最高频率发生在2008年,2009年之后,酸雨频率总体呈下降趋势,强酸雨频率变化趋势和酸雨频率相似,在0～48.2%,近4 a南通站都没有出现过强酸雨。从图2(b)可,2007—2013年累计酸雨量占降水总量比例基本在65%以上,2014年之后,累计酸雨量占降水总量比例明显降低。总体看,南通站2014年之后酸雨污染逐渐减轻。从图1(c)可知,如皋站年均降水pH=4.93～5.86,pH最小值出现在2009年,最大值出现在2015年,2011年之后,除2016年外，年平均pH低于5.6,其余年份pH均在5.6左右,说明降水酸性程度明显减轻。从电导率看,年均为47.2～76.7 μs/cm,总体趋于平稳。年均酸雨频率为33.7%～78.7%,最低频率出现在2015年,最高频率在2009年,2011年之后。除2016年酸雨频率略高于50%外,其余年份都在50%以下,总体呈下降趋势。强酸雨频率变化趋势和酸雨频率相似,为0～37.1%,2011年以后如皋站强酸雨率都在10%以下。从图2(c)可知,累计酸雨量占降水总量比例变化除2018年外,2007—2013年变化规律基本相似,2014年之后,累计酸雨量占总降水量比例明显降低。总体看,如皋站2014年之后酸雨污染逐渐减轻。

图2 2007—2018年吕四站、南通站、如皋站逐年累计酸雨量和降水总量变化Fig.2 Average annual precipitation pH, conductivity, frequency of(strong) acid rain, accumulated acid rainfall and total precipitation changes at Lüsi Station, Nantong Station and Rugao Station from 2007 to 2018

图3 2007—2018年南通地区3个站平均逐年降水pH、电导率、(强)酸雨频率、累计酸雨量和降水总量变化Fig.3 Average annual precipitation pH, conductivity, frequency of(strong) acid rain, accumulated acid rainfall and total precipitation changes in 3 stations in Nantong area from 2007 to 2018

从年均降水pH和强酸雨频率来看,2008年前后酸雨达到最强,吕四站、南通站是2008年,如皋站是2009年。图3所示为南通地区3个站年均逐年降水pH、电导率、(强)酸雨频率、累计酸雨量和降水总量变化[15]。从南通地区3个站平均值看[图3(a)],2008年酸雨和强酸雨频率最高,这一年年均降水pH也是酸性最强的,有2个观测站年均降水pH=5.0(图1),且吕四站pH达到强酸雨等级。2009年之后大部分观测站酸雨在改善,即年均pH上升、酸雨频率下降,这一点在图3中表现很明显。从电导率方面看,2007—2018年,电导率基本在65 μs/cm左右,说明大气的干净程度并没有得到很好的转变。分析可知,南通地区各站酸雨在2008年前后达到最强,由图3可知,2008—2009年南通地区平均pH低于5.0,酸雨率、强酸雨率也是最高的两年。2010年之后,平均pH明显升高,酸雨率和强酸雨率也明显降低。结合图1、图2可见,2014年之后,南通地区的降水的酸性程度在减小,酸雨率在降低,累计酸雨量占总降水量比例明显降低并有趋于平稳趋势[图3(b)]。由南通地区酸雨的变化趋势,也能说明近年SO2、NO2等大气污染物排放量在明显减少。

2.3 酸雨月、季变化特征

图4为南通地区2007—2018年3个站平均逐月降水pH、电导率、(强)酸雨频率、累计酸雨量和降水总量变化[15]。从图4(a)可知,南通地区月均降水pH=5.09～5.65,11月—次年4月pH较小,5—10月较大,pH最小，为3月份5.09,pH最大，为7月5.65。从酸雨频率看,5—10月较低,最低为7月41.9%,11月—次年4月较高,最高为3月71.4%；从强酸雨频率看,6—10月较低,最低为7月8.1%,11月—次年5月较高,最高为 3月27.6%。从电导率看,6—10月较低,最低为7月49.365 μs/cm；11月—次年5月较高,最高为10月82.965 μs/cm,结合当月降水量看,降水量的大小对电导率有一定影响。从图4(b)可知,累计酸雨量和降水总量变化规律相似,6—9月酸雨量和降水量均较大,但酸雨量占降水总量比例与10月—次年5月相比较小。说明降水量大小影响降水的酸性程度。

图4 2007—2018年南通地区3个站平均逐月降水pH、电导率、(强)酸雨频率、累计酸雨量和降水总量变化Fig.4 Monthly average of precipitation pH, conductivity, frequency of(strong) acid rain, accumulated acid rainfall and total precipitation changes at chree stations in Nantong area from 2007 to 2018

图5 2007—2018年吕四站、南通站、如皋站年均降水pH、电导率、(强)酸雨频率季节变化Fig.5 Seasonal changes in the average annual precipitation pH, conductivity,(strong) acid rain frequency at Lüsi Station, Nantong Station and Rugao Station from 2007 to 2018

3 气象因子与酸雨的关系

3.1 降水强度影响分析

酸雨的形成主要受大气中污染物的影响。降水时污染物通过云凝结核以及被云中水滴捕获,或者是在降水过程中,污染物质被落下的雨滴捕获进入降水[19]。降水初期,大气中的污染物对降水酸性程度有显著影响,而随着降水时间的持续,影响逐渐减弱,呈现一种“稀释”效应[20]。

表2将日降水量划分为6个等级,并对吕四站、南通站、如皋站按照不同等级降水强度下的降水pH、酸雨频率及电导率进行分析。由表2可见,吕四站各等级强度降水的平均pH均大于 5.1,日降水量达大暴雨等级时pH最高,为5.39,大雨强度时pH最低,为5.1。日降水量达大雨和暴雨强度时较其他强度,发生酸雨概率更大；南通站各等级强度降水平均pH均大于5.17,日降水量达暴雨降水强度时pH最高,为5.58,大雨强度时pH最低,为5.17。日降水量小雨强度时,出现酸雨的频率最高,为48.2%,这说明下小雨时大气中酸性污染物浓度较强,使得降水酸性偏强；如皋站各等级强度降水平均pH均大于5.29,日降水量达暴雨强度时pH最高,为5.59,大雨强度时pH最低,为5.29。日降水量达中雨强度时,出现酸雨的频率最高值为25.1%。结果显示:吕四站的pH要明显低于其他2个站,说明降水中酸性物质比例高于其他2个站。吕四站出现酸雨的频率也最高,南通站和如皋站大体出现酸雨的频率差不多,只在降水等级的不同,略有差异。总体上,南通地区3个站降水平均pH都是日降水量小雨至大雨强度时,pH呈下降趋势,当达到暴雨、大暴雨强度时,pH又呈上升趋势。这

表2 2007—2018年吕四站、南通站、如皋站不同等级降水的pH、电导率、酸雨频率Table 2 The pH、conductivity and acid rain frequency of different levels of precipitation at Lüsi, Nantong and Rugao Station, 2007～2018

可能是小雨至大雨强度时,大气中跟酸性污染物有中和作用的碱性污染物逐渐被冲刷减少,导致降水酸性增加。而暴雨、大暴雨时,随着雨量的充沛,酸性污染物得到稀释作用,使得降水酸性降低[21-23]。从3个站的电导率看,随日降水量的增加而电导率明显降低,可见雨量越大,降水的清洁度越高。南通站的电导率要高于其他2个站,说明大气中可溶颗粒物含量高于其他站,降水受污染程度更高,城市化程度更高的南通站近地成层污染对降水的影响更加明显。

3.2 主导风向分析

大气中污染物一方面来自于本地的排放,另一方面来自于大气扩散和高空输送[24],选择2007—2018年降水当日08: 00或20: 00的850 hPa主导风向资料和酸雨资料进行分析,将风向分为16个方位,各种风向下的降水pH、酸雨频率和电导率,如图6所示。由图6(a)可知,吕四站出现酸雨概率最多的为东南风,其次是东南偏南风和东南偏东风,这3个风向下酸雨频率明显高于其他风向,均在70%以上。降水当日的各种风向下降水pH=4.82～5.61,当东南偏南风时,降水pH较小为4.82。在东南风影响下电导率平均值最高为84.4 μs/cm,其次是东南偏南风影响下78.3 μs/cm,在西风、西北偏西风影响下电导率平均值最低为44.3、44.2 μs/cm。对比降水pH、酸雨频率可见在东南偏东风、东南风、东南偏南风这3个风向下吕四站酸雨污染较严重；由图6(b)可知,南通站出现酸雨概率最多的为东南风,其次是东南偏东风、东南偏南风、南风,这4个风向下酸雨频率高于其他风向,均在76%以上。降水当日的各种风向下降水pH=5.14～5.52,当东南风时,降水pH较小为5.14。在东南偏南风影响下电导率平均值最高为85.4 μs/cm,其次是南风影响下77.3 μs/cm,在东北偏北风、北风向影响下电导率平均值最低为38.2、42.8 μs/cm。对比降水pH、酸雨频率可见在东南风、东南偏南风、南风、东南偏东风,这4个风向下南通站酸雨污染较严重；由图6(c)可见,如皋站出现酸雨概率最多的为东北偏东风,其次是东北风、东风这3个风向下酸雨频率高于其他风向,均在70%以上。降水当日的各种风向下降水pH为5.21～5.63,当风向为东北偏东风时,降水pH较小为5.21。在东北风影响下电导率平均值最高为83.6 μs/cm,其次是东风影响下77.2 μs/cm,在西北风、西风影响下电导率平均值最低为43.1、43.4 μs/cm。对比降水pH、酸雨频率可见在东北风、东北偏东风、东风这3个风向下如皋站酸雨污染较严重。

总体上,从主导风向对比降水pH、酸雨频率,吕四站酸雨污染程度高于南通站和如皋站；吕四站和南通站出现酸雨频率最多的为东南风,如皋站出现酸雨的频率最多的为东北偏东风。

3.3 大气污染物影响分析

图6 2007—2018年吕四站、南通站、如皋站降雨日主导风向的降水pH、电导率、酸雨频率Fig.6 Precipitation pH, conductivity, acid rain frequency of the dominant wind direction at Lüsi, Nantong and Rugao Station during the rainfall day from 2007 to 2018

图7 2017年南通站的SO2、NO2、PM10、PM2.5的浓度与酸雨pH的变化Fig.7 Concentration of SO2, NO2, PM10, PM2.5 and pH of acid rain at Nantong Station in 2017

在切实贯彻国家节能减排、污染减排等重大环保政策,江苏、浙江、上海等省市加强各地环保措施的执行,并制定相关政策。因此近年,来江浙沪等地的SO2、NO2排放量均明显下降。南通地区的SO2、NO2大气浓度也表现为显著下降。在节能减排的背景下,SO2和NO2排放量均呈减少趋势,南通地区酸雨也呈明显减弱的过程。

4 结论

(1)2007—2018年南通地区吕四、南通、如皋酸雨观测站都有酸雨出现,出现的频率都在50%以上。从酸雨频率和强酸雨频率看,吕四站的酸雨概率大于其他2个站；从降水pH看,吕四站也是3个站最低的；电导率看,3个站的降水受污染程度都差不多,都在60 μs/cm左右。

(2)由年均降水pH和强酸雨频率来看,2008年前后酸雨达到最强,吕四站、南通站是2008年,如皋站是2009年。南通地区2008—2009年平均pH低于5.0,酸雨率、强酸雨率也是最高的两年。2010年之后,平均pH明显升高,酸雨率和强酸雨率也明显降低。2014年之后,降水的酸性程度在减小,酸雨率在降低。由南通地区酸雨的变化趋势,也能说明跟近年SO2、NO2等大气污染物排放量明显在减少。冬、春季酸雨污染比夏、秋季节更严重,吕四站冬季甚至达到强酸雨污染程度。

(3)南通地区3个站pH都是随着降水等级的增加呈现,前下降后上升的波动趋势。不同的降水等级,吕四站的pH都要明显低于其他2个站,说明降水中酸性物质比例高于其他2个站。3个站的电导率均是随日降水量的增加而明显降低,可见雨量越大,降水的清洁度越高。南通站的电导率数值要高于其他2个站,大气中可溶颗粒物含量高于其他站,降水受污染程度更高,城市化程度更高的南通站近地层污染对降水的影响更加明显。

(4)从主导风向对比降水pH、酸雨频率,吕四站酸雨污染程度高于南通站和如皋站；吕四站和南通站出现酸雨概率最多的为东南风,如皋站出现酸雨的频率最多的为东北偏东风。

(5)分析2017年全年南通站降水当日的降水pH跟当日SO2、NO2、PM10和PM2.5均呈较明显的负相关关系,虽然相关程度不高,但也能说明降水当天大气污染越严重,降水酸度越强。南通地区的酸雨除了受SO2排放的影响外,NO2影响也是主要因素。在节能减排的背景下,SO2和NO2排放量均呈减少趋势,南通地区酸雨也呈明显减弱的过程。