南宫市近年酸雨特征分析及其气象影响因子

南宫市近年酸雨特征分析及其气象影响因子
关俊华;陈文晖;朱秀金;石金祥
【摘要】The statistical characteristics of precipitation acidity and conductivity at Nangong are discussed by means of the acid rain monitoring data from 2006 to 2009. Results show that the average precipitation pH is 5.22, with the lowest being 3.08; the averaged precipitation conductivity is 94. 1 μS/cm with the highest value being 529.
0 μS/cm for the 4 years; the acid rain frequency (pH<5. 6) is 63%, which accounts for 80% of total precipitation amount of the four years; the severe acid rain frequency (pH<C4. 5) is 28%. Nangong is an area suffered from acid rain pollution relatively heavy in North China. The acid rain frequency shows a seasonal variation, high in autumn and low in spring. Consequently, the precipitation pH is low in autumn and high in spring. The relationships of precipitation acidity variation with surface wind conditions, precipitation amount, and precipitation types (including fog) are also discussed. The acid rain frequency in the daytime (10:00 to 16:00) is only 31%, much lower than that in the nighttime (72%). The diurnal variation of local PM10 can be attributed to the differences of precipitation acidities in the daytime and nighttime.%利用南宫酸雨观测站2006-2009年的酸雨观测资料,统计分析了4年来酸雨时间分布特征,探讨了酸雨的变化规律,并对酸雨与气象要素的关系进行了初步分析.结果显示:酸雨发生频率63％,强酸雨频率28％；降水平均pH值为5.22,降水最小pH值为3.08;酸性降水量比例80％；降水平均K值为94.1 μS/cm,最大K值为529.0 μS/cm.酸雨存在着季节性变化,秋季
是酸雨出现频率最多、酸性较强的季节；春季则是酸雨出现频率低的季节.酸雨的形成与风向风速、降水量、降水性质及大雾有关.
【期刊名称】《气象科技》
【年(卷),期】2012(040)006
【总页数】6页(P1050-1055)
【关键词】酸雨;变化特征;气象因子;南宫市
【作者】关俊华;陈文晖;朱秀金;石金祥
【作者单位】河北省南宫市气象局,南宫055750;河北省南宫市气象局,南宫055750;河北省南宫市气象局,南宫055750;河北省南宫市气象局,南宫055750【正文语种】中文
引言
随着社会的进步和经济的飞速发展，人类在生产生活过程中向大气排放的污染物也在急剧增加，这些污染物经过扩散、迁移和转化，最终进入降水，导致区域性的降水酸化，即所谓的“酸雨”污染。

从20世纪中叶开始，酸雨问题已逐步发展成为全球性的环境问题之一，备受人们的关注。

我国从20世纪70年代观测到酸雨开始，酸雨污染一直呈现发展的态势，对我国社会经济的可持续发展构成了明显的制约和限制［1-7］。

特别是近年来，一些研究报道指出，除了我国长江以南地区的酸雨污染一直维持较严重的情形外，华北等地的北方地区酸雨也呈现逐年加重的趋势［8-9］。

2006年河北省气象局建成了5个酸雨观测站，南宫是其中之一，并于2007—
2009年参加了国家“973”项目的酸雨观测工作。

本文对南宫酸雨观测站2006
年7月至2009年12月间157次酸雨观测资料进行了统计分析，同时根据分析结果，讨论了酸雨的变化特征及影响酸雨的气象因子，以增进对河北东南部酸雨现状、时空分布变化特征及其气象影响因子的了解，为保护生态环境安全，减少自然灾害，促进区域社会经济的持续、健康发展提供可靠的科学观测资料。

1 观测方法和资料分析
1.1 观测方法
自2006年7月开始，南宫站开展了酸雨日常观测业务。

按照中国气象局《酸雨观测业务规范》的技术要求进行仪器配置、采样和测量：降水样品采集用人工安放和收取采样桶获取，样品取回后12h内用pH计和电导仪测量。

降水样品以08：00至次日08：00为一个采样日界，在一个降水采样日内，降水量达到1.0mm或以上时采集一个日降水样本，若一个降水采样日内有几次降水过程，则多次采样后合并为一日的降水样品。

降水量采用地面观测记录数据。

采用氢离子（H＋）浓度-降水量加权法计算降水pH值的平均值，即将每次降水pH值换算成氢离子（H＋）浓度后，乘上相应的降水量求其平均：
采用降水量加权法计算降水电导率（以下简称K值）的平均值。

即将每次降水K
值乘上相应的降水量求其平均：
式（1）～（4）中：pHi 为日降水pH 值；Vi（H＋）为由日降水pH值计算的氢离子浓度，单位为mol／L，Ri为对应的日降水量，单位为mm，Ki日降水K 值，单位为μS／cm［10］。

1.2 资料分析
为了保证酸雨观测资料的准确性，南宫站在工作中严格执行中国气象局《酸雨观测
业务规范》及相关业务规定；在降水样品的采集和测量方面坚持做到“三净三准”，即酸雨观测要“三净”：测量器皿“净”，采样过程中“净”，测量过程中“净”，仪器的标定和读数要“三准”：配置的标准缓冲溶液“准”，仪器每月要校“准”，读数“准”。

在质量控制方面采用机审与人工审核相结合。

酸雨报表质量、“973”酸雨观测项目和全国年度未知水样考核的成绩均为优秀。

为保证本次研究结果的可靠性，对所用资料采用K-pH不等式方法校验，通过率达99%以上［11］。

经过上述质量筛选的酸雨观测资料共157次，累计样品降水量占总降水
量的98%。

按照中国气象局《酸雨观测业务规范》的规定：降水pH值小于5.6，认为是有酸雨发生；酸雨按降水pH值分为3个等级：pH＜4.5为强酸性降水样本；4.5≤pH ＜5.6为弱酸性降水样本；pH≥5.6为非酸性降水样本。

1.3 酸雨观测站的观测环境
南宫市气象站位于南宫市西北方向约2km处，东经115°23′，北纬37°22′，海拔高度27.4m。

观测场四周平坦。

南宫市位于河北东南部，西靠太行山，东面渤海，属于华北平原的腹地。

南宫市气候上属于比较典型的温带大陆性季风气候，大气环流的季节性变化明显，冬凉夏暖，降水季节分布不均匀，年平均降水量480mm，夏季6、7、8月3个月的降水量占全年的60%以上。

2 酸雨的分布特征
2.1 pH值、K值及降水量变化
统计157次酸雨观测资料，降水pH值在3.08～6.88之间，平均pH 值为5.22；K 值在15.8～529.0μS／cm之间，平均K 值为94.1μS／cm；累计总降水量1839.6mm。

pH值为3.08最小极值的降水，出现在2008年8月5日；K值为529.0μS／cm最大极值的降水，出现在2007年10月4日。

表1给出了2006—2009年南宫全部降水不同酸度等级的平均pH值、出现频数、
频率及降水量比例。

从表1可以看出，南宫市酸雨频率（酸性或强酸性降水日数
与酸雨观测资料的总日数之比，下同）高达63%，强酸雨频率达28%；酸性降水量比例（酸性或强酸性日的累计降水量与酸雨观测资料的总降水量之比，下同）为80%，强酸性降水比例43%。

可见发生酸性降水或强酸性降水时，其降水量大于全部降水日的平均降水量。

表1 南宫站降水pH值、降水量及其出现频数，比例、频率pH值降水量／mm 频数频率／%降水比例／%年份全部降水弱酸雨强酸雨全部降水弱酸雨强酸雨酸雨观测总次数弱酸雨强酸雨弱酸雨强酸雨弱酸雨强酸雨2006 5.33 5.1 4.04 266.3 51.5 174.5 17 6 4 35 24 1966 2007 5.35 5.09 4.07 427.4 217.1 84.2 45 17 9 38 20 51 20 2008 4.98 4.92 3.93 584.1 146.2 357.4 47 11 20 23 43 25 61 2009 5.23 5.02 4.28 561.8 271.5 158.8 48 21 11 44 23 48 28平均 5.22 5.03 4.08 1839.6 686.3 774.9 157 55 44 35 2837 43
4年中2008年酸雨最严重，年降水平均pH值为4.98，酸雨和强酸雨出现频率分别为66%、43%，酸性降水量比例和强酸性降水量比例分别为86%、61%。

表2给出了2006—2009年南宫全部降水不同K值范围出现频数、频率及降水量比例。

从表2看出，K＞100μS／cm降水的出现频率为31%，占总降水量14%，K≤100μS／cm降水的出现频率为69%，占总降水量86%，K＞200μS／cm的降水量均小于5.0mm。

高电导率降水的出现频数高于对应的降水量比例，即电导率较大时降水量很小。

表2 南宫站降水、降水量及其出现频数，比例、频率注：平均K值为94.1。

K值／（μS·cm-1）降水量比例／% 频数频率／%50 35 34 22 50＜K≤100 51 73 47 100＜K≤200 13 40 25 K≥K≤200 1 10 6
2.2 季节变化特征
以12月至次年2月、3—5月、6—8月、9—11月分别表示冬、春、夏、秋四季。

统计结果显示：季节变化较为显著。

秋季出现酸雨的频率最大，为80%，依次为夏季、春季、冬季；秋季平均降水pH值最低为4.89，春季平均降水pH值最高为5.63。

K值的季节变化不明显，夏秋季节较小，春冬季节较大，反映了春冬季较大的风沙、浮尘等大气中颗粒物对降水性质的影响。

酸性降水量比例秋季最大为86%，冬季最小为51%。

综合考虑酸雨季节性分布特点是：秋季是酸雨污染较为严重的季节，春季则是酸雨污染较弱的季节。

南宫逐月全部降水、酸性降水pH值、K值、降水量见图1～图3。

可以看出：月平均pH最大值为6.35，出现在1月，最小值为4.45，出现在10月；1、3、6、7月降水平均pH值较大，均大于5.6，属于非酸性降水；而2、4、8—12月降水平均pH值较小，均小于5.6，属于酸性降水。

月平均最大K值为147 μS／cm，出现在2月，最小K 值为50.5μS／cm，出现在12月，4、7—9、11、12月降水平均 K 值均小于80.0μS／cm，其他月份的平均 K值均在100μS／cm以上。

可见，降水量大的月份K值较小，降水量较小的月份K值较小，即风沙、浮尘现象较多的季节，降水K值偏高的变化特点［12］。

8月酸雨量最多为507.4mm，2月最少（除1月份没有外）为11.0mm。

8—10月，3个月的酸雨量为804.3mm，酸性降水量比例和强酸性降水量比例分别为91%、62%，其中8月酸性降水量比例和强酸性降水量比例分别为97%、66%。

酸雨pH值、K值、降水量变化规律基本与全部降水变化同步。

图1 全部降水、酸性降水的逐月平均pH值
图2 全部降水、酸性降水的逐月平均K值
图3 全部降水、酸性降水的逐月累计降水量
对南宫逐月酸雨频数、频率进行了统计（图4）。

酸雨频率除1月为0外，最小值出现在7月为38%，最大值出现在12月为100%，8—11月频率均在70%以
上，1—7月酸雨频率均小于50%，可以说下半年酸雨出现频率明显高于上半年。

由图4还可以看出：酸雨频数月变化规律与频率有所不同：酸雨频数一年中有一
个峰值，一个谷值，峰值出现在8月为29次，谷值出现1月为0次。

酸雨和强酸雨基本集中在7—10月，4个月的酸雨和强酸雨频数分别占总酸雨和强酸雨的67%和89%。

综合分析逐月酸雨分布特点表明：8月是酸雨污染较严重的月份。

2.3 日变化特征
南宫市环境监测站资料（摘自邢台市环境保护局政务网站）显示，大气中污染物主要是可吸入颗粒物PM10和SO2、NO2，其中PM10超标。

大气中污染物有着较明显的日变化，白天的污染物的浓度高于夜间。

如PM10夜间平均浓度为
0.15mg／m3，白天浓度为0.33mg／m3。

污染物浓度与大气边界层的混合高度、风向风速等气象要素有关。

这些气象要素存在着明显的日变化［13-14］。

通过对157次酸雨资料分析，发现南宫酸雨也存在着较明显的日变化。

即白天（10：00—16：00）非酸性降水频率高于夜间（17：00—9：00），在58次非酸性降水中，有40次非酸性降水出现在白天，占69%；夜间的酸性频率高于白天，在99次酸性降水中，有72次酸性降水出现在夜间，占72%；在72次出现在夜
间酸性降水中，有44次是阵性降水占61%。

由此说明，大气中颗粒物含量的昼夜变化是导致夜间酸雨发生频率较高的最可能原因。

南宫是一个规模较小的城镇，因而人员活动的昼夜差别较大，从PM10的监测数据显示，夜间颗粒物的大气含量
明显低于白天，加上夜间边界层混和高度低于白天，因而在夜间云下冲刷颗粒物对降水性质的影响要小于白天，我国北方的多数地区土壤呈现碱性，在大气中的土壤性颗粒物能够中和降水中的酸性物质，因此白天的酸雨出现频率相应会少些。

其次强烈的局地对流，有利于近地面污染物向空中输送，云下局地的冲刷过程对降水性质有明显的影响［15］，也是夜间酸雨发生频率较高的原因。

图4 逐月酸雨频数与频率
3 影响酸雨的气象条件
酸雨中的酸性物质主要来源于大气的SO2和NOx，大气中的SO2和NOx来源于人类的生产和生活过程中，如工业废气、汽车尾气等。

大气中的SO2和NOx，经过输送、转化，进入降水云系，并在合适的降水条件下，才能形成酸雨。

气象条件的不同可导致酸雨强度时空分布不同。

3.1 与风的关系
污染物的扩散受水平方向风的影响，垂直方向上受湍流的控制。

排放到大气中的污染物在风的作用下被输送到风的下风方，从而影响下游地区。

有研究表明，高空1500m高度的风向风速对局地降水酸度的变化具有较明显的指示意义，说明伴随天气系统的大气环流对局地酸雨的形成过程有一定的影响［16］。

本文通过对南宫市近地面风向风速统计分析，探讨在污染源不变的情况下，地面风场与酸雨之间的关系。

图5为南宫出现酸性降水时风向频率图。

统计资料显示：出现酸性降水时，西北风或西风频率为50%；出现强酸性降水时，西北风或偏西风频率为72%。

风速对酸性降水的形成也有影响，风速越大，单位时间内污染物被输送的越远，大气中污染物的浓度越小。

这说明风对污染物有水平输送的作用，但同时也有稀释的作用。

统计资料显示：出现酸性降水时一般风速小于5m／s。

在157次降水中，降水期间平均风速小于5m／s占99%，小于3m／s占87%。

酸雨期间盛行西北风或西风与南宫所处的地理位置和气候条件有着密切的关系。

南宫西北方向120km处是省会石家庄，偏西方向100km处是邢台市，石家庄、邢台西部与太行山脉毗邻；多年的气候资料统计表明：有降水过程时，西北风向是主导风向。

这样伴随西北风或西风的天气过程，其降水明显受到了石家庄、邢台两市较强污染排放的影响，形成酸雨的概率较高。

3.2 与降水量、降水性质的关系
利用157次酸雨资料的降水pH值和降水量，将pH值分为10段，各段降水pH
值出现频率和对应的降水量比例及K值均值如图6所示。

图5 酸雨期间风向频率图
由图6看出：pH值在4.4～5.6段内酸雨频率为58%、酸雨量占4年总降水量的75%，但K值较小，均值为75.0μS／cm；pH 值＞5.6段内频率为36%，这段的降水量较小，占4年总降水量的21%；pH值＜4.0段内的强酸雨频率仅为6%，
强酸雨量仅占4年总降水量的4%；在pH值＜4.0或pH值＞5.6时，K值较大。

由此说明南宫区域内强酸雨有时出现，但概率很小，降水量也很少。

图6 pH值各段的降水频率与降水量比例和K值均值
由图6还发现降水pH值、K值均有随降水量增大而减小趋势（其相关系数未能通过显著性检验）。

可以推断是云下的大气颗粒污染物被雨水冲刷过程和大气中颗粒污染物具有较明显的酸中和能力对降水性质有较明显的影响，使得当降水量较大时，由于稀释效应，降水pH值、K值较低。

图7给出了降水量大于等于20.0mm和降水量小于等于5.0mm的pH值各段分
布情况。

降水量大于等于20.0mm的降水过程有28次，其中23次是酸性降水，占82%，降水量小于等于5.0mm的降水过程有76次，其中39次是酸性降水，
占51%。

将降水量大于等于20.0mm的降水过程定义为强降水过程，降水量小于等于5.0mm的降水过程定义为弱降水过程。

强降水过程pH值多集中在4.0～6.0；pH值小于4.0或大于5.6时的降水样品几乎全是弱降水过程；强降水过程酸雨强
度明显比弱降水过程强，弱降水过程的酸雨发生频数明显比强降水过程多。

这说明降水量对pH值有明显的影响，由于酸性污染物进入降水中经过两个过程，云中淋洗和云下冲刷，当降水量较小时，污染物随着降水被冲刷下来，酸中和作用明显，当降水降水量较大时，由于稀释作用，云下大气颗粒物逐渐减少，酸中和作用减弱，
污染物转为云中起主导作用，降水酸性明显增强［17］。

图7 降水量大于等于20.0mm和降水量小于等于5.0mm的pH值各段分布
在全部降水资料中选取了44次连续性降水，即一次降水过程跨两个样品采样日，前一日降水pH值较后一日降水pH值高的占59%，最大差值为2.45。

可见降水
初期的pH值明显偏大。

3.3 与大雾的关系
雾是由大量的悬浮在近地面空气中的微小水滴或冰晶组成的气溶胶。

通过对157
个降水样品进行了统计，发现11次有雾出现，8次是酸性降水样本，频率为73%，6次是强酸性降水样本，频率为55%。

有雾时的平均pH值为4.78，最小值为
3.47。

有雾时低空一般有逆温层，雾滴极易吸附各种污染物颗粒和气体，经降水冲刷，易形成酸雨［18］。

4 结论
（1）南宫区域存在着较为严重的酸雨现象，是华北地区酸雨污染较严重的区域。

2006—2009年4年期间的年降水平均pH值均低于5.6，酸雨频率高达63%，所有降水均为偏酸性，其中80%降水是酸雨，43%降水是强酸雨。

2008年最为严重，年降水平均pH值为4.98，酸性降水量比例和强酸性降水比例分别为86%、61%。

（2）南宫市年降水平均pH值呈逐年减小的趋势，酸雨频率和酸性降水量比例呈
逐年增大的趋势。

即，近年来南宫区域酸雨呈逐年严重的趋势。

（3）酸雨随季节呈现的变化规律是：秋季酸雨最强，春季最弱。

8月是酸雨污染
较严重的月份。

风沙较多是春季降水K值偏高、酸性偏小的主要原因。

（4）夜间、较小的西北或西风、降水量较大、大雾等都是产生酸雨的有利气象条件。

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