南昌市酸雨变化特征及来源分析

2023-10-30谢文琪钟兰頔

湖北畜牧兽医 2023年6期

谢文琪，钟兰頔，曾凯

（1.南昌县气象局，南昌 330200；2.江西省农业气象中心，南昌 330200；3.南昌市气象局，南昌 330008）

酸雨已成为全球性环境问题［1-3］。探究酸雨的时空分布及影响因素对了解和掌握全球酸雨及环境问题具有重要意义［4］。

中国的大气环境问题主要是酸雨-细颗粒物-光化学烟雾复合型污染［5，6］。根据2020 年《中国生态环境状况公报》显示，中国酸雨主要分布在长江以南-云贵高原以东地区，以江西省南昌市和湖南省长沙市等城市为中心的华中酸雨区污染水平超过西南酸雨区。

南昌市位于江西省中部，以农业和工业生产为主，重污染行业所排放的污染物较多，且该地属亚热带，在高温强辐射条件下，大气光化学反应强烈，高温高湿度下很容易使NOx及SO2转化为H2SO4、HNO3等物质［7，8］，因此酸雨污染是南昌市面临的重要环境问题。本研究利用南昌市南昌县国家气象观测站的酸雨观测资料，分析南昌市2011—2020 年酸雨的时空分布变化，并利用HYSPLIT 后向轨迹模型及潜在源区、权重因子分析南昌市酸雨来源，以期为探讨华东地区酸雨污染物的来源、特征及相对贡献提供参考。

1 资料来源与研究方法

1.1 资料来源

采用南昌县国家气象观测站（115.57°N，28.33°E，海拔31.9 m）2011—2020 年酸雨观测资料表征南昌市酸雨的变化，该站点位于南昌市南昌县莲塘镇、城镇交界处，酸雨离子成分含量与市区接近，能够较好地反映南昌市酸雨的特点。经过质量控制得到原始数据，数据符合酸雨探测环境和中国气象局（2017）《酸雨观测规范》的要求。气象资料来源于美国国家环境预报中心（NCEP）提供的全球数据同化系统GDAS 资料。

1.2 研究方法

1.2.1 酸雨数据处理除按照酸雨观测数据的常规业务流程［9］对观测资料进行审核外，还采用K-pH不等式方法对所有的降水、pH 和K值数据进行数据质量控制。K-pH 不等式如下。

式中，Km为实测降水K值；KH和KOH分别为氢离子电导率和氢氧根离子电导率，由pH、氢离子摩尔电导率（AH）和氢氧根离子摩尔电导率（AOH）计算。剔除观测数据中ΔpH＜-0.5 的严重可疑数据，并对-0.5≤ΔpH＜0 的观测数据做进一步订正处理，以保证观测数据分析的科学性，保证酸雨分析的结果。

1.2.2 后向轨迹模型及方法应用混合单粒子拉格朗日综合轨迹（Hysplit）模型，基于王亚强［10］编制的Meteoinfo 软件，模拟2017 年南昌市每个酸雨日4 个时次（2：00、8：00、14：00、20：00）后向72 h 气流轨迹，模拟初始高度为1 500 m，再通过聚类分析获得具有代表性的轨迹模型。基于后向轨迹及pH 来确定酸雨源区，进行潜在源贡献分析（PSCF）。利用0.5°×0.5°网格对南昌县观测站进行网格化处理（65°—136° E，6°—46° N），通过计算轨迹端点数来确定源区，阈值选择2017 年平均降水pH。为确定各源区的贡献程度，采用浓度权重分析法（CWT）反映南昌市传输路径上酸雨分布状况［11，12］。

2 结果与分析

2.1 降水的pH 和电导率

2.1.1 年际变化特征根据中国气象局（2017 年）酸雨和酸雨区等级［13］，将酸雨按日降水pH 划分为4个等级。从降水pH 和pH 频率分布（图1）可以看出，2011—2020 年南昌市降水除2012 年pH 为4.69，属于弱酸雨等级外，2011、2013—2020 年降雨pH 介于5.08～5.52，呈较稳定的波动，属于较弱酸雨等级，南昌市降雨的pH 范围和姜磊［14］计算的江西省其他城市pH 范围接近，表明南昌市主要受区域性降水酸化的影响。2011—2020 年强酸雨频率显著降低，至2016 年没有再出现强酸雨，特强酸雨至2014 年后未出现，表明南昌市的酸雨状况有明显改善，降水pH整体呈上升趋势，但由于其pH 仍低于5.6，酸雨防治仍是需重点关注的环境问题。

图1 2011—2020 年南昌市降水pH 和pH 频率分布

降水电导率K值表征降水受污染的程度，一般以K=50 μS/cm 为分界线，若大于50 μS/cm，表明该地区空气质量较差，污染物浓度也越高［15］。由图2可知，2011—2020 年南昌市历年平均降水电导率为50.9 μS/cm，K值总体呈波动性变化，表明南昌市空气质量整体较好。其中，2020 年空气质量最差，降水电导率达68.3 μS/cm，2017 年空气质量最好，降水电导率为40.1 μS/cm。

2.1.2 季节变化为探究季节变化对南昌市酸雨的影响，按照春季（3—5 月）、夏季（6—8 月）、秋季（9—11 月）、冬季（12—2 月）分析2011—2020 年南昌市降水的pH、K值，以及降水量、酸雨频率的季节变化趋势。由表1 可知，南昌市春、夏、冬季平均降水pH 与K值、酸雨频率成反比，与降雨量成正比。冬季平均降水pH 最低，为5.06，表明冬季酸雨最为严重，且酸雨频率也最高，达65.49%，降水的洁净程度也最差。夏季平均降水pH 最大，为5.34，酸性最弱，K值最小，为45.7 μS/cm。这可能与大气层结稳定度有关，夏季大气层结不稳定、降水量大，有利于大气污染物的扩散，而冬季则相反。

表1 2011—2020 年南昌市降水季节性变化

2.2 酸雨与地面风向风速的关系

2.2.1 酸雨与地面风速的关系为分析南昌市酸雨与地面风速的关系，将地面风速按照风力等级划分，分析2011—2020 年不同风速下南昌市酸雨的变化情况。由表2可知，当为3级风，即风速在3.3～5.4 m/s时，2011—2020 年南昌市酸雨出现频率最高，达到67.19%，当为1 级风，即风速≤1.5 m/s 时，出现酸雨的次数最多，总数达到489 次。表明微风条件下，有利于酸雨的形成。

表2 2011—2020 年南昌市酸雨变化特征与风速的关系

2.2.2 酸雨与地面风向的关系酸雨的形成除了受到风速的影响，还与风向有关。如图3a 所示，将风向划分为16 个等级，并计算出不同方位风向下2011—2020 年南昌市降雨的pH。如图3b 所示，绘制不同等级酸雨出现频率的玫瑰图，地面风为北风（N）时，酸雨污染较重，pH 达4.94，地面风为西风（W）时，酸雨污染较轻，pH 为5.38。即来自安徽等地的酸雨污染影响南昌市，使其酸雨发生较重，而来自西侧河南省等地的酸雨污染较轻，这一结果与吴建明等［16］的研究结果相反，主要是由于地面风速表征的是近地面的情况，而大气中酸雨的前体物的输送高度在850 hPa（1 500 m 左右），代表高空的输送情况，即地面的风向无法代表高空风向的变化，需进一步讨论平流输送对酸雨的影响。

2.3 后向轨迹及潜在源区分析

2.3.1 后向轨迹聚类分析为进一步探究远距离输送对酸雨的影响，以2017 年为时间点（最接近南昌市2011—2020 年平均pH），利用HYSPLIT 后向轨迹模型，对南昌市酸雨日1 500 m 高度处72 h 的气流后向轨迹进行聚类分析。由图4 可见，2017 年南昌市酸雨后向轨迹可分为4 类：第1 类为西南偏西向气流，贡献率为17%，多为弱酸雨，污染源起源自河内途经广西壮族自治区中部、湖南省南部、江西省西部输送至南昌市，远距离输送；第2 类为偏西向气流，贡献率达51%，为最主要的酸雨输送路径，多为强酸雨，该类轨迹较短，气团移动速度较慢，起源自湖南省中部途经江西省西部，受区域污染物输送及本地排放影响较大；第3 类为西南气流，贡献率为23%，多为弱酸雨，主要是夏季受海南省、广东省等地输送的西南暖湿气流影响；第4 类为偏东向气流，贡献率仅有9%，多为弱酸雨，污染源主要来自于东海沿海地区酸性污染物及海上船舶废气。酸雨轨迹聚类分析表明，南昌市酸雨来源以南昌市以西的大陆气团为主，广东、广西、浙江等省（自治区）沿海城市均有贡献。

2.3.2 潜在源区及权重分析为进一步分析南昌市酸雨输送的原理及潜在源区，进行潜在源贡献和权重分析，获得了2017 年南昌市酸雨的潜在源贡献分析（PSCF）结果以及浓度权重分析法（CWT）结果。由图5a可见，潜在源区主要分布在湖南省、湖北省东部、福建省西部、广西壮族自治区北部以及广东省中部沿海等地。影响南昌市酸雨的潜在源贡献高值区（潜在源区贡献值WPSCF＞0.5）上述地区均有涉及，其中湖南省中东部一带为最主要的潜在源区，这也与第2 类后向轨迹聚类分析结果相对应。与2020年中国生态环境公报［17］中指出的酸雨主要分布区域一致。究其原因可能是由于南方土壤酸化严重、降水多的气候条件以及汽车尾气排放和工业污染的影响所致。

图5 2017 年南昌市酸雨的潜在源区（a）及权重因子（b）分析结果

由于潜在源区分析只能得到酸雨轨迹的占比，不同pH 的气团可能计算得到相同的潜在源区贡献值（WPSCF），因此无法识别影响气团pH 程度的大小，也无法得到气团对地区的贡献值。故对潜在网格进行pH 的加权计算，来对比不同网格的贡献水平。由图5b 可见，CWT分布与PSCF分布基本一致。可见南昌市酸雨的强源主要来自于本地排放，城区污染的影响。南昌市区人口密度大，小蓝工业区作为南昌市重要的工业源地，其排放的SO2、NOX作为酸雨的前体物加剧酸雨的形成。随着汽车保有量的增加，据南昌市2021 年国民经济和社会发展统计公报［18］数据统计结果，南昌市2020 年汽车保有量达202 万辆，同比增长7.7%，为酸雨形成提供了充足的条件。湖南省依旧为南昌市酸雨的另一大源区，可能是其属于内陆地区，污染物不易扩散，受西南气流引导，空气中携带的SO2、NOX输送至南昌市，进而形成酸雨。