宜昌市酸雨的年季變化特征分析

王海燕+毛成忠

摘要 利用宜昌市1994年1月至2007年2月的酸雨觀測(cè)月數(shù)據(jù)文件，分析了酸雨的年際變化和季節(jié)變化特點(diǎn)。結(jié)果表明，宜昌市夏季酸雨污染最輕，冬季、春季酸雨污染最重；1998—2006年降水的酸性減弱趨穩(wěn)；2000—2006年，中雨、大雨、暴雨的潔凈程度越來(lái)越差；2001年以前，降水pH值和K值各季節(jié)之間的變化和各季節(jié)的年際變化明顯，有明顯的變化周期；2001年以后，降水pH值和K值各季節(jié)之間的變化和各季節(jié)的年際變化差異均減小，沒有明顯的變化周期。

關(guān)鍵詞 酸雨；pH值；K值；年變化；季變化；特征分析；湖北宜昌

中圖分類號(hào) X517 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2018）01-0213-04

Analysis on Annual and Seasonal Change Characteristics of Acid Rain in Yichang City

WANG Hai-yan 1 MAO Cheng-zhong 2 *

（1 Wuhan Central Meteorological Observatory，Wuhan Hubei 430074； 2 Yichang Meteorological Bureau）

Abstract Using the seasonal observation data of acid rain in Yichang City during January 1994 to February 2007，the seasonal and annual change characteristics of acid rain were analyzed in this paper.The results showed that the acid rain pollution of Yichang City was the lightest in summer，and the severest in winter and spring.The acid of precipitation decreased from 1998 to 2006.The clean degrees of moderate rain，heavy rain and rainstorm were increasingly poor during 2000-2006.Before 2001，the seasonal and annual change of pH value and K value was obvious，with obvious periodic change.After 2001，the differences of pH value and K value between seasonal change and annual change were decreasing，and there was no obvious periodic change.

Key words acid rain；pH value；K value；annual change；seasonal change；characteristics analysis；Yichang Hubei

酸雨是因人類活動(dòng)（或火山爆發(fā)等自然災(zāi)害）導(dǎo)致區(qū)域降水酸化的一種污染現(xiàn)象，對(duì)公眾健康、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境以及全球變化都有重要的影響[1]。酸雨形成的機(jī)制很復(fù)雜，F(xiàn)ran Parungo等[2]認(rèn)為酸性的云滴不需要凍結(jié)成冰可直接形成沉降雨滴，且保留了原云滴的酸性，而不會(huì)稀釋水汽凝結(jié)體中的要素；張 霞等[3]發(fā)現(xiàn)湖北西部城市酸雨具有典型的硫酸性特征。酸雨的時(shí)空分布和影響危害也十分復(fù)雜，我國(guó)大部分地區(qū)均有不同程度的酸雨污染現(xiàn)象[4-5]；李正泉等[6]發(fā)現(xiàn)浙江臨安1985—2012年期間的酸雨總體呈增加趨勢(shì)；杜光智等[7]認(rèn)為湖北地區(qū)的酸雨主要發(fā)生在西部地區(qū)的襄樊、荊門、恩施、宜昌和沿江及江南地區(qū)；吳文婷等[8]發(fā)現(xiàn)2007—2011年廣東梅縣降水的年平均pH值為4.70～5.00， 5年降水總體呈弱酸性；李明桃[9]通過上海地區(qū)的實(shí)例分析了酸雨對(duì)環(huán)境造成的危害；張國(guó)正等[10]研究江蘇淮北地區(qū)大豆受酸雨影響平均災(zāi)損率為8%～20%；馮繼廣等[11]認(rèn)為酸雨導(dǎo)致土壤酸化，對(duì)土壤微生物代謝活動(dòng)、植物地上地下生長(zhǎng)以及凋落物分解等產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響土壤呼吸；張宇飛等[12]則認(rèn)為適度酸雨可增加茶樹幼嫩器官N含量和N/P，改變茶樹體N、P的循環(huán)和平衡；于 浩等[13]發(fā)現(xiàn)接種外生菌根真菌是減輕酸雨對(duì)馬尾松危害的一個(gè)重要途徑。

本文利用1994年1月至2007年2月宜昌市酸雨觀測(cè)資料，對(duì)酸雨的年際趨勢(shì)和季節(jié)變化特征進(jìn)行分析和討論。

1 資料與方法

1.1 術(shù)語(yǔ)和單位

1.1.1 酸雨。大氣降水的形式包括雨、雪、雹等。酸雨是指pH值<5.60的大氣降水，一般將pH值<4.50的大氣降水稱為強(qiáng)酸雨[1，14]。

1.1.2 大氣降水的pH值。大氣降水的酸堿度用pH值表示，pH值的定義為氫離子濃度的負(fù)對(duì)數(shù)，為無(wú)量綱量。

pH=-lg[H+]（1）

式（1）中，[H+]為氫離子的體積摩爾濃度，單位為mol/L。

pH平均值的計(jì)算采用氫離子濃度[H+]-降水量加權(quán)法，即將每次降水的pH值換算成氫離子濃度后，乘以相應(yīng)的降水量，求得平均氫離子濃度，再取負(fù)對(duì)數(shù)：

1.1.3 大氣降水的電導(dǎo)率K值。大氣降水的導(dǎo)電能力反映大氣降水的潔凈程度，用電導(dǎo)率度量，其定義為通過電導(dǎo)測(cè)量池中待測(cè)溶液的電流密度（單位為A/m2）與施加其上的電場(chǎng)強(qiáng)度（單位為V/m）之比。電導(dǎo)率的單位為S/m，常用單位為μS/cm。大氣降水的電導(dǎo)率也俗稱為K值（以下簡(jiǎn)稱為K值）。K平均值的計(jì)算也采用降水量加權(quán)法：

1.1.4 酸雨出現(xiàn)率。酸雨出現(xiàn)率是指pH值<5.60的次數(shù)占總采樣觀測(cè)次數(shù)的百分比。

1.2 資料來(lái)源

本文所用資料為宜昌市1994年1月至2007年2月酸雨觀測(cè)月數(shù)據(jù)文件，包括降水過程起止時(shí)間、降水量、pH值和K值。

1.3 小波分析方法

小波分析方法在時(shí)域和頻域上同時(shí)具有良好的局部性質(zhì)，可以分析出時(shí)間序列周期變化的局部特征，從而能更清楚地看到各周期隨時(shí)間的變化情況，因而在氣候分析中得到廣泛的應(yīng)用[15-16]。本文采用標(biāo)準(zhǔn)Morlet小波來(lái)分析1994年1月至2007年2月共158個(gè)月的pH值和K值的主要周期變化。其小波函數(shù)為：

2 結(jié)果與分析

2.1 酸雨、pH值和K值的年際變化

2.1.1 酸雨出現(xiàn)率及發(fā)生頻次的年際變化。由圖1可知，1994—1999年，酸雨的出現(xiàn)率維持在80%左右；2000年，酸雨出現(xiàn)率最低；2001—2006年，酸雨的出現(xiàn)率緩慢回升，繼續(xù)維持在80%左右。由圖2可知，1998年、2002年，酸雨發(fā)生次數(shù)最多，為78次。2001年、2005年，酸雨發(fā)生次數(shù)最少，僅發(fā)生了50次。pH值<4.50的酸雨在1996年發(fā)生次數(shù)最多，發(fā)生了63次；在2005年發(fā)生次數(shù)最少，僅發(fā)生了16次。總的來(lái)看，pH值<4.50的酸雨發(fā)生頻次在1999—2006年的年發(fā)生頻次均≤45次，少于1994—1999年。

2.1.2 pH值和K值的年際變化。圖3是pH值與K值的年際變化圖?？梢钥闯?，1994—2006年，pH值均<5.0。1994—1998年，pH值逐年變化幅度大，且均<4.5，降水的酸性嚴(yán)重；1999—2000年，pH值陡增，降水的酸性減弱；2001—2006年，pH值減小且逐年變化平緩，維持在4.5左右，降水的酸性仍較強(qiáng)。1994—2001年，K值逐年變化幅度大；2002—2005年，K值減小且逐年變化平緩，維持在55 μS/cm左右；2006年，K值又陡升到82.3 μS/cm。

2.1.3 不同降水等級(jí)下pH值和K值特征及年際變化。Liu等[17]研究了干、濕環(huán)境2種方案，認(rèn)為當(dāng)降水率超過1 mm/h時(shí)，降雨對(duì)硫酸鹽的沖刷作用將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過干沉降過程。李正泉等[6]認(rèn)為小雨時(shí)強(qiáng)酸雨發(fā)生頻率高、弱酸雨發(fā)生頻率低，而暴雨時(shí)弱酸雨發(fā)生頻率高、強(qiáng)酸雨發(fā)生頻率低。為了分析宜昌市不同降水量等級(jí)下的pH值與K值變化特征，本文按每次采樣測(cè)量的累計(jì)雨量的大?。ǖ燃?jí)）不同，分別統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)的pH值與K值的平均值（表1），并直觀地用圖4、圖5顯示其特征。

從圖4可知，pH值從大到小依次為小雨>暴雨>中雨>大雨；從年際變化看，小雨、中雨、大雨、暴雨的pH值均從1998年開始緩慢升高。從圖5可見，K值從大到小依次為小雨>中雨>大雨>暴雨；從年際變化看，中雨、大雨、暴雨的K值在2000年前遞減，2000年后遞增。

綜上，小雨的酸性最弱但最不潔凈，暴雨的酸性較弱但最潔凈，大雨的酸性最強(qiáng)且較潔凈。各降水等級(jí)下，1994—1998年酸雨呈增強(qiáng)趨勢(shì)（pH值呈減小趨勢(shì)），1998—2006年酸雨呈減弱趨勢(shì)（pH值呈增大趨勢(shì)）。1995—2000年中雨、大雨、暴雨的潔凈度有變好的趨勢(shì)，而2000—2006年中雨、大雨、暴雨的潔凈程度有變差的趨勢(shì)。

2.2 pH值和K值的季節(jié)變化

2.2.1 各季節(jié)pH平均值的逐年變化。宜昌市以3—5月、6—8月、9—11月、12月至次年2月分別劃分為春、夏、秋、冬四季。圖6是宜昌市1994—2006年各季節(jié)降水pH平均值的年際變化曲線。從整體上看，除了1996年、1998年和2005年以外，pH夏季值高于或接近其他季節(jié)值；除了1996年、1998年及2000年以外，pH冬季值低于其他季節(jié)值；除1996年、2000年外，pH冬季值始終低于夏季值。這可能是因?yàn)橄募窘邓看螅髿庵辛蚝偷难趸锸艿酱罅坑晁臎_刷稀釋使降水酸度降低；冬季由于空氣擴(kuò)散條件變差[18]，大氣中硫和氮的氧化物濃度較高，加之降水量小，雨水沖刷效應(yīng)減弱，致使降水酸度升高。

由圖6還可看出，2001年以前，各季pH值變化差異明顯，各季pH值逐年變化波動(dòng)較大；2001年以后，各季pH值變化差異減小，各季pH值逐年變化趨于平緩，pH值維持在4～5之間。

2.2.2 K值季節(jié)平均的逐年變化。圖7是宜昌市1994—2006年各季節(jié)降水K平均值的年際變化曲線。從整體上看，四季變化曲線中，夏季是變化最平緩的，K值在35～60 μS/cm之間；除了2003—2005年，夏季的K值均低于冬季，這可能與夏季降水量大的沖刷稀釋作用有關(guān)。以2001年作為分界點(diǎn)，2001年以前，K值各季節(jié)之間的變化和季節(jié)隨年的變化非常明顯；2002—2004年，各季節(jié)間K值變化差異減小，各季節(jié)的逐年變化趨于平緩，維持在50 μS/cm左右；2005—2006年，夏、秋2季的K值緩慢上升，冬、春2季的K值在2005年下降，2006年陡升。

2.2.3 pH值、K值多年季節(jié)平均值的比較。由表2可知，夏季的pH值最高，K值最低；秋季、冬季的pH值最低，冬季K值最高；春、秋2季K值介于冬、夏2季之間。即夏季污染最輕，冬季、春季污染最重。這主要與冬季、春季的大氣擴(kuò)散條件較差、降水量相對(duì)較小有關(guān)。

2.3 pH值和K值的周期診斷

圖8是pH值的小波分析圖?？梢钥闯?，1996年、1997年和1999年分別有3～6個(gè)月的變化周期；1998—2001年，pH值有24～30個(gè)月的變化周期；2001年以后，pH值無(wú)明顯的變化周期。這與圖3指出的2001年以后，各季節(jié)之間pH值的變化和各季pH值逐年變化幅度趨于平緩有關(guān)。

圖9是K值的小波分析圖?？梢钥闯觯?995和1996年分別有3個(gè)月的變化周期；1995—2001年，K值有12個(gè)月的變化周期；2001年以后，K值沒有明顯的變化周期。這與圖4指出的2001年以后，各季節(jié)之間K值的變化和各季K值逐年變化幅度趨于平緩有一定的關(guān)系。

綜上所述，1998—2001年，pH值有24～30個(gè)月（即2.0～2.5年）的變化周期；1995—2001年，K值有12個(gè)月（即1年）的變化周期；2001年以后，pH值和K值沒有明顯的變化周期。這也可能與資料的時(shí)間長(zhǎng)度有關(guān)。

3 結(jié)論

（1）除了2000—2001年，其余年份酸雨的出現(xiàn)百分率基本維持在80%左右。1999—2006年強(qiáng)酸雨的發(fā)生頻次較1994—1998年有所減少。1994—2001年，降水的pH值和K值變化起伏較大；2001—2005年，pH值和K值變化較穩(wěn)定；2006年，pH值陡減，K值陡增。

（2）1998—2006年小雨、中雨、大雨、暴雨的酸性越來(lái)越弱；2000—2006年，中雨、大雨、暴雨的潔凈程度越來(lái)越差。小雨的酸性最弱但最不潔凈，暴雨的酸性較弱且最潔凈，大雨的酸性最強(qiáng)且較潔凈。

（3）夏季pH平均值最高、K平均值最低；秋季、冬季pH平均值較低、K平均值較高；春季K值為次高值。2001年以前，pH值和K值各季節(jié)間的變化和各季節(jié)的逐年變化非常明顯；2001年以后，pH值和K值各季節(jié)間的變化差異減小，各季節(jié)的逐年變化趨于平緩。

（4）1998—2001年，pH值的變化周期為2.0～2.5年；1995—2001年，K值的變化周期為1年；2001年以后，pH值和K值均沒有明顯的變化周期。

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