宁波市沿海地区酸雨特征及气象条件分析

常婉婷 徐 璐 胡 晓 张国超

(1.宁波市气象台，浙江 宁波 315012；2.宁波市镇海区气象局，浙江 宁波 315202)

我国酸雨空间分布存在明显的地域差异，南方酸雨比北方严重，浙江属于我国酸雨污染比较严重的省份, 酸沉降造成的森林木材储蓄量减少和农作物减产会导致巨大的直接经济损失。酸雨对生态系统、植物、建筑物、人体等都具有不同程度的危害，已对经济社会的可持续发展造成了不利影响，酸雨问题一直是亟须治理的重要环境问题[1-5]。酸雨的分析预报需要结合气象条件、污染源等。气象条件在大气物理方面对酸雨形成的影响主要表现在影响有关物质的扩散、输送和沉降。现代酸雨主要是煤、石油和天然气等化石燃料燃烧排放的SO2和NOx所造成的环境污染。许多学者针对不同地区酸雨变化特征及相关气象条件的影响等进行了分析。研究表明，我国多数地区硝酸根离子对降水酸度的影响逐渐增加，酸雨类型正由硫酸型向硫酸-硝酸混合型转变[6-8]。本地污染源的排放对酸雨污染的贡献不容忽视，研究表明浙北和浙东南等经济发达地区酸雨污染重于浙西南地区[9-10]。其次区域输送是造成区域酸雨加重的主要原因[11-12]，中国东部和东南部沿海地区的酸雨来源复杂[13]。降水量和风向风速对酸雨的强度有明显影响[14-16]。

气候条件、能源结构、经济发展等背景的差异，造成了我国不同地区酸雨分布情况的差异，以及酸雨发生的主要原因的差异[6-8], 对不同地区的酸雨特征和成因进行研究分析，可以进一步掌握我国的酸雨污染状况及发展趋势。宁波市沿海地区有全国著名大型石化企业和众多化工中小企业，研究表明酸雨与不同天气背景间存在明显的联系, 但宁波地区的酸雨分析，趋势变化以及气象信息的分析研究较少,对酸雨的了解有利于治理方案的提出，因此有必要对其进行研究分析。

1 资料与方法

1.1 资料来源

1.2 统计与研究方法

根据常规定义，pH值<5.6的大气降水为酸雨[17-18]。环境背景值5.6的来源是CO2溶解在蒸馏水中饱和达到平衡时的酸度，实际大气中还存在很多其他的化学成分、且世界各地区条件不同，因此环境背景值是一个相对的概念，根据刘嘉麒的研究[19]，内陆降水以pH=5作为界限更为合理。然而由于大多酸雨研究都是基于酸雨传统定义，因此本文将以传统定义为基础，将酸雨分为强酸雨pH<4.5，弱酸雨4.5≤pH<5，较弱酸雨5≤pH<5.6，pH>5.6四部分，重点分析弱酸性及以上(pH<5)的酸雨情况。

2 结果分析

2.1 酸雨污染的时间特征

2003—2020年的降水采样：1天采集一个降水样品，有多次降水事件时采集一个混合样品，测定的pH作为日均pH。镇海国家站建站(2009年)以来平均年降水日数为159天，其中2011年的降水日数143天，2011年的降水样品采集数(表1)存在明显偏少，因此用于统计时会存在误差，因此本节剔除该年数据。

表1 2003—2020年各年降水样品采集数

2.1.1 酸雨污染的年、季节变化特征

第一个阶段为2003—2013年，该阶段酸雨污染较为严重，年平均降水pH值在4.5上下浮动，其中2006—2008年年平均降水pH值都在4.5以下，即年平均降水pH值属于强酸性等级；全年强酸雨发生的频率均在55%以上，最高为2007年的82%。

第二阶段为2013—2020年，该阶段为酸雨污染的改善期，2016年以前呈现波动趋势，2016年以后逐年改善。年均降水pH从2013年的4.62升至2014年的4.94后，2015到2016年又有下降，2016年起逐步上升，从4.69升至5.41；全年强酸雨发生的频率除2016年较上年略有回升以外，每一年都有显著下降，至2020年已降为0，全年都没有发生强酸性降水过程。

图1为2003—2020年(剔除2011年)，宁波沿海站点年均降水pH，pH<5的酸雨、强酸雨(pH<4.5)发生频率的变化图。由图1可以看出，2003—2020年间宁波沿海的酸雨污染大致分为三个阶段。

图1 2003—2020年宁波沿海观测站降水pH值变化趋势

图2分别取3-5月、6-8月、9-11月、12月-次年2月为春季、夏季、秋季、冬季计算出了2003—2020年的强酸雨频率的变化情况，可以看出2013年起强酸雨的频率逐年下降，到2018年已趋于0。同样我们可以看出强酸雨的发生频率也存在季节特征，冬春季强酸雨频率高的年份多于夏秋季。

图2 2003—2020年四季强酸雨频率年变化情况

2.1.2 酸雨发生的月变化特征

表3是酸雨的月变化情况，从强酸雨过程(pH<4.5，下同)在弱酸性及以上的酸雨(pH<5，下同)的过程中占比看，1月最高，为63.5%，7月份最少，为39.2%；从频率来看，3月份最高，为52.3%，7月份最少为24.2%。两者的区别是由于强酸雨过程在弱酸性及以上的酸雨过程中占比仅考虑了强酸雨的次数，而频率除了与强酸雨的次数有关，还与该月降水总次数有关。总的来看，月均降水pH值范围为4.57～4.95，其中3月到8月逐渐升高，9月至3月pH值逐渐下降，弱酸性及以上的酸雨过程发生频率也呈现同样的变化规律(图3)。通过季均降水pH及弱酸性以上的酸雨发生频率，可知降水pH值最低的为冬季，降水pH值最高的为夏季。弱酸性及以上的酸雨过程发生频率最高均为冬季，最低均为夏季。冬季酸雨出现最多，夏季最少。

表3 2003—2020年酸雨pH值月变化情况

图3 2003—2020年宁波沿海月均降水pH值及pH<5的酸雨发生频率

2.2 酸雨污染的化学组分变化特征

图4 2003—2020年宁波沿海降水中阳离子质量浓度年平均变化

图5 2003—2020年宁波沿海降水中阴离子浓度

图6 2003—2020年宁波沿海降水中浓度及比值

2.3 酸雨变化特征与气象因子的关系

2.3.1 不同降水量等级下的酸雨变化特征

利用酸雨观测的过程降水量将酸雨观测期间“降水量等级”划分为4级,R<10 mm为小雨；10 mm≤R<25 mm为中雨；25 mm≤R<50 mm为大雨；50 mm≤R<100 mm为暴雨；R≥100 mm为大暴雨及以上。

表4 不同降水等级下降水pH值、强酸雨频率和降水K值

图7 2003—2020年宁波沿海降水中离子质量浓度随降水量变化

2.3.2 酸雨变化特征与地面风向风速关系

表5 酸雨变化特征与风速关系

图8 2003—2020年宁波沿海降水中离子质量浓度随风速变化

分析有离子观测的277个样本，找每次过程的主导风向，将风向划分为4区，偏北风(315-45°)、偏西风(225-315°)、偏南风(135-225°)和偏东风(45-135°)，分析可以判断主导风向的样本。

表6 酸雨变化特征与风向关系

3 结论与讨论

(1)2003—2013年酸雨污染较为严重，2013年后酸雨呈改善趋势，2019年起未再发生强酸雨过程。酸雨月、季变化明显，月均降水pH值3月到8月逐渐升高，9月至3月pH值逐渐下降。3月平均降水的pH值最低，弱酸性及以上的酸雨发生频率最高，属于酸雨频发期，8月平均降水pH值最高，弱酸性及以上的酸雨发生频率最低。弱酸性及以上的酸雨频率冬季最高，夏季最低。酸雨中硫酸根的浓度除个别年份，2006年起呈现逐年下降的趋势，而硝酸根的浓度相对稳定，目前宁波沿海的酸雨污染为“硫酸硝酸混合型”。

(2)平均降水K值随着降水等级的升高呈下降的趋势，平均降水 pH 值较小值和K 值较大值主要出现在中雨量级以下降水中。弱酸性及以上的酸雨在日平均风速小于 1.5 m/s 的降水过程中出现频率最高，1.6 m/s～3.3 m/s 的降水过程中出现次数最多，在日平均风速大于 5.5 m/s的降水过程中，弱酸性及以上的酸雨出现频率最低。平均降水 pH 值与当日平均风速呈正相关，与降水量呈负相关。

和离子造成的酸雨污染具有明显的输入性特征，宁波偏东风下酸雨污染相对最轻微，偏北风主导时污染相对最为明显，同时偏西风对硫酸性污染的输入也有利，这与各风向上的污染源分布有关。本文仅讨论了风雨变化与酸雨变化的对应关系，由于酸雨形成过程复杂，气象要素对于酸雨的影响还需要进一步研究。