酸雨的季节性分布特征及与雨量、雨强的关系<br/>——以佛山为例

酸雨的季节性分布特征及与雨量、雨强的关系
——以佛山为例

2021-04-06魏兴琥孙晓曼邱丹璇陈毅哲

佛山科学技术学院学报（自然科学版） 2021年2期

魏兴琥，孙晓曼，邱丹璇，陈毅哲

（佛山科学技术学院广东西北江流域生态文明建设与可持续发展研究中心，广东佛山528000）

酸雨和大气酸化、大气中臭氧引起的地球化学系统变化、生态环境不均衡性及温室气体引起的气候变化为21 世纪地球所面临的4 个主要环境问题［1］。自罗伯特·史密斯最早在英格兰开始对酸沉降现象调查,并在1872 年提出“酸雨”这一术语后，直到20 世纪50 年代，瑞典斯德哥尔摩国际气象研究所主持建立了欧洲大气化学监测网后，对降水化学全面而系统地长期观测研究才真正开始［2］。我国的酸雨研究起步更晚，1982 年开展了首次全国酸雨普查，除吉林、甘肃和宁夏外，其他各省、市、自治区均有酸雨出现，酸雨污染已覆盖国土面积的40%［3］，1999 年的调查数据表明，酸雨的程度进一步加重，南方许多城市的酸雨频率高达80%［4］。进入21 世纪后，我国酸雨的程度还在加重，长江以南地区成为中国酸雨污染最严重的地区［5］，该区域50%以上的面积成为强酸雨区［6］。作为我国四大工业区之一的珠三角地区是酸雨的重灾区，很多区域酸雨的频度和程度仍在进一步加剧。广东除连南、连山、阳山、清新县、乳源、新丰县外其他区域均为酸雨控制区，酸雨控制区占全省国土面积的71.6%，占全国酸雨控制区总面积的16%。1995—2004 年酸雨监测资料表明：广东的酸雨控制区的酸雨频率以及重酸雨（pH＜4.50）频率均呈现比较明显的上升趋势［7］。

对于酸雨形成的化学成分因素研究较多［8-12］。关于气象因素中风向、风速、边界层温度、大气稳定度、大气混合层高度等污染气象条件对诱发酸雨出现的条件影响也有探讨［13-15］。对于降雨的影响，吴贤笃等对温州酸雨的研究表明酸雨的pH 值与季度降水量有明显的正相关［16］。张晓红等在对洛阳酸雨的研究中认为：降水量对降水的pH 值有直接影响，连续降水和降水量大时，pH 值降低［17］。谢志清等根据气象观测资料分析表明：江南强酸雨区冬季降水减少，夏季暴雨显著增加有利于酸雨缓解，使强酸雨范围缩小，而在冬季降水偏多，夏季降水相对偏少期，强酸雨覆盖范围扩大；西南强酸雨区春秋季降水量的减少导致春秋季降水占年降水量比例下降，使得年降水pH 值升高，强酸雨形势得到缓解［18］。佛山是中国主要的制造业基地，其制造业等实体经济高度集聚所排放的污染物使得佛山成为珠三角酸雨最严重的区域之一［19-20］。佛山多年平均降雨量高达1 692 mm，夏季多台风暴雨，干湿季明显，雨量、雨强变化幅度很大，一次强降雨过程的降雨量就超过100 mm，与国内其他温带、暖温带、亚热带等区域显著不同。本文选择佛山开展降雨量、雨强与酸雨关系研究，可以更好地了解降雨动力对酸雨程度影响的过程、程度与机制，研究成果不仅对珠三角有借鉴意义，而且对于工业经济高速发展的其他城市和区域也有很好的参考意义。

1 实验材料与方法

1.1 研究区概况

雨水采集点选择位于佛山科学技术学院本部禅城区校区基础楼楼顶（E113°1′41″，N23°5′23″，海拔25 m）如图1 所示。佛山属南亚热带季风气候，年平均气温22.4 ℃，春夏两季降雨占全年降水的80%以上。采样点地处禅城区市区中心地段，邻近工业区和交通中心，有很好的代表性。

图1 实验观测点位置

1.2 实验样品采集、测定与分析

在楼顶空旷地放置雨量筒测定雨量，同时布设3 个与雨量筒口径接近的塑料杯收集降雨，每次收集完水样后将其清洗干净后放回，如长时间无降雨，则在降雨前再次清洗。降雨结束后立即将雨水样送至临近的资源环境实验室用pHSJ-3F 型pH 计测定雨水pH 值，精度0.01。2016 年4、5、8 月份各选择一次较长时间降雨过程，每0.5 h 测一次雨量与雨水pH 值，分析雨强与酸雨的关系。

运用EXCEL 2007 对降雨数据进行汇总统计，分析降雨量、降雨次数、pH 值、不同季节变化的基本情况及规律，并运用SPSS 16.0 对降雨量与pH 值之间进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 酸雨的月分布与季节特征

在观测实验的4 年共50 个月时间内，获取了129 个有效雨水pH 值数据，其中，pH＜5.6 的酸雨次数为108 次，占降雨总数的83.72%，包括轻度酸雨（4.5＜pH＜5.6）72 次，重度酸雨（pH＜4.5）36 次，分别占降雨总数的55.81%和27.91%。雨水pH 与月份间呈多项式关系（y=-0.024 7 x2+ 0.349 2 x + 3.829 6，r2=0.540 4）如图2 所示。由图2 可以看出，1～12 月月平均雨水pH 值都达到酸雨水平，12 月的雨水pH 值平均值最低，7 月的雨水pH 平均值最高。

从表1 可以看出，春夏两季降雨次数占全年降雨次数的72.87%，冬春季节雨水pH 平均值明显小于夏秋季节，且酸雨比例、重度酸雨比例都明显高于夏秋季节。

图2 酸雨的月分布情况

表1 2012—2016 年测定点酸雨频度与程度季节性分布

由此可知，佛山市酸雨数量与程度呈明显的季节性分布规律，佛山市的气候是南亚热带季风气候，春秋短，干湿季明显，夏季受来自海洋的暖湿气流的影响，高温潮湿多雨，气候具有海洋性，暴雨多，雨量大，雨季也主要集中在4～9 月，降雨量占全年的80%左右。冬季受来自大陆的干冷气流的影响，气候寒冷，干燥少雨，气候具有大陆性。冬季少有的降雨使酸性气体不断积累于大气中难以扩散，一旦下雨，尤其是冷锋南下，既加重酸性气体累积，又形成浓度很高的酸雨，降水基本为酸雨，且重度酸雨多。春末夏初，雨季到来，环流得以改善，降雨次数增多，尽管酸雨频度上升，重度酸雨次数多，但酸雨占比降低，偏向于轻度酸雨。由夏季开始至雨季结束，佛山市主要由热带天气系统带来降水。大气环流最活跃的夏季，多个天气系统共同影响降水过程，强降雨较多，尤其是台风等大风天气，稀释酸性气体，即使酸雨仍会形成，但在雨水冲刷下，空气中酸性离子根减少，雨水随之结合减少，此时降水次数多，酸雨频度高，但是降水大部分为轻度酸雨或非酸雨，重度酸雨已极少。

2.2 酸雨与降雨量的关系

将129 次降雨的降雨量与各次的雨水pH 值进行相关性分析，结果如表2 所示。由表2 可知，降雨量与雨水pH 值呈负相关关系，二者的皮尔逊相关的显著性系数达0.821，未达到显著性相关。但对不同程度酸雨的降雨量与雨水pH 值之间的相关分析发现，随酸雨程度增加，降雨量对雨水pH 值的影响程度增加，达到重度酸雨时，降雨量与雨水pH 值之间呈显著的负相关关系。张晓红等在对洛阳酸雨的研究认为连续降水和降水量大时，pH 值降低［21］；吴贤笃等对温州酸雨的研究认为，温州酸雨的pH 值与季度降水量有明显的正相关［22］。由此可见，降雨量对酸雨程度的影响是一个复杂的过程，除雨量外，还与降雨间隔时间、气象条件、降尘等多因素相关［21-22］。

表2 降雨量与雨水pH、不同酸雨程度降雨量与雨水pH 相关性分析结果

2.3 酸雨与雨强的关系

对3 次连续降雨过程的雨强有效数据与pH 平均值之间进行相关分析，结果表明，雨强与雨水pH值有显著的负相关关系（皮尔逊相关系数-0.451，显著性系数0.046），按照雨量等级（小雨：2≤R＜10，中雨：10≤R＜25，大雨25≤R＜50，暴雨：R≥50，R 单位为mm）对观测雨量进行划分，并对不同雨量等级下降水pH 值、酸雨、不同程度酸雨出现频率的变化情况进行分析，结果如表3 所示。

表3 不同雨量等级下酸雨程度出现率的统计结果

由表3 可知，小雨使酸雨出现的概率达到100%，但重度酸雨出现的概率只有17.65%，而暴雨使重度酸雨出现的比例上升到40.54%，与轻度酸雨出现的比例相同，这也证明了雨强与酸雨程度有负相关关系。酸雨是降雨过程中雨滴与空气中硫化物、氮化物等结合后的沉降过程，不同雨强，雨滴的密度、大小不同，与大气化合物结合的机会、程度也不同，雨强越大，雨滴直径大、密度高，与大气化合物结合的机会大，使雨水中酸性物质含量高，雨水pH 值变小。佛山市夏季高温多雨，常伴有暴雨，高温状态下空气中酸性物质含量高，且降水时间集中而短暂，大气中的水与酸性物质快速结合，形成强酸，导致pH 值低。

2.4 降雨间隔天数对雨水pH 值的影响

将观测降雨数据之间的间隔天数分成3 类发现，降雨间隔超过10 d 的降雨43 次，雨水平均pH 值4.81，非酸雨6 次，重度酸雨12 次，占27.91%，轻度酸雨25 次；降雨间隔3～9 d 的降雨42 次，雨水平均pH 值4.86，非酸雨6 次，重度酸雨13 次，占30.95%，轻度酸雨23 次；降雨间隔3 天以下的降雨44 次，雨水平均pH 是4.94，非酸雨9 次，重度酸雨11 次，占25%，轻度酸雨24 次。从变化趋势看，间隔时间越长，虽然酸雨比例变化不明显，但有使酸雨程度加重的趋势。从酸雨形成过程分析，空气中的硫化物、氮化物等浓度是酸雨形成的物质基础，雨水是媒介及动力，长时间无降雨或风力影响，地面污染物持续排放会增加空气中污染物的浓度，自然会增加酸雨的频度和程度，但降雨间隔时间长短只是为空气中氧化物的浓度提供了物质基础，形成酸雨的因素很多，大气环流、风力大小、氧化物类型、空气中颗粒物、季节、雨量、雨强等共同制约酸雨的形成及程度。间隔期较长的降雨基本发生在冬季，大气环流最不活跃，降水最少，酸性气体积累于大气中难以扩散。而夏季降雨次数多，雨量充沛。