北京地区酸雨特征及影响因素分析

北京地区酸雨特征及影响因素分析*

蒲维维 张小玲 徐敬 赵秀娟 徐晓峰 董 （中国气象局北京城市气象研究所，北京市气象局大气成分观测与分析中心，北京 100089）

摘 要

本文利用2003~2008年北京地区三个酸雨观测站（观象台、昌平、上甸子）的酸雨观测资料并结合探空及大气成分资料，分析了近年来北京地区的酸雨变化特征，研究了不同气象条件和大气污染物对降水pH 值及酸雨频率的影响。结果表明：（1）近6年来北京地区酸雨总体呈逐年增强趋势，降水的酸度和酸雨频率随月和季节变化明显，北京地区夏、秋两季酸雨污染严重。（2）1500m高空风对降水酸度有明显影响：1500m高空风向为南风时，降水pH值最低；当1500m风向为南东南时，酸雨频率最高。当1500m上空的风速为1~3m·s-1时，酸雨频率最高，且随风速增大酸雨频率降低。（3）降水量对pH值影响不大但对酸雨频率有明显影响。酸雨频率随着降水量的增大而上升，当降水量达到大雨等级后，酸雨频率基本不变。（4）逆温对酸雨有一定影响，连续发生逆温状况时，酸雨出现频率大。（5）大气污染物SO2、NO2、PM2.5的浓度与降水pH值成负相关关系，说明污染物对降水酸度有重要影响。

关键词酸雨，pH值，酸雨频率,影响因素

1 引言

酸雨是指pH值小于5.6的大气降水（雪、雨、雹等）。通常认为，导致正常雨水pH<5.6的酸性物质主要是人类排放的硫氧化物和氮氧化物，它们在大气环境中经过各种非均相氧化反应生成的[1]。我国从1979年开始进行降水酸度监测，监测结果表明，80年代中期，年均降水pH值小于5.6的地区主要在西南、华南以及东南沿海一带[2]，90年代以来，酸雨出现的区域较80年代发生了比较明显的变化，酸雨区面积扩大，以南昌和长沙等城市为中心的华中酸雨区污染水平超过西南酸雨区；西南酸雨区酸雨强度虽然有所缓和，但仍然维持较严重的水平；华南酸雨区总体格局变化不大；华东酸雨区在小尺度上的污染格局有所波动[3]。2000年以来，全国酸雨区总体上呈范围扩大、强度稍有减弱的趋势，南方酸雨范围基本保持不变，而北方酸雨区范围扩大明显，且酸雨强度增强趋势明显，华北的京津冀及河南和山东的部分地区存在不小的酸雨区[4]。

*中国气象局公益性行业（气象）科研专项（N0.GYHY200806027）资助

目前国内外对大气降水的研究主要包括降水的化学组成、特征及来源分析[5-8]；降水对不同粒径颗粒物去除机制、效率的研究[9]；降水成分的空间变化与排放源位置、地形条件、主导风向等因素的关系[10]；气象条件变化对降水酸度的影响[11-13]等。近年来，随着北京及周边地区城市化进程的推进，汽车保有量迅速增加，大气污染类型已开始由煤烟型向光化学污染型过渡，京津冀城市群地区污染物排放源和大气成分有较大的改变，大气污染特征表现为煤烟型和汽车尾气混合型污染，降水过程作为大气污染物去除方式之一，其降水酸度和化学组成发生了很大变化，在此形势下有必要对近年来北京地区的酸雨变化特征及其影响因素进行分析。本文利用北京市气象局3个酸雨观测站近6年的酸雨观测资料，探讨和分析北京酸雨的特征及其与气象条件、大气污染物之间的关系。

2 资料处理

北京市气象局目前已有3个酸雨观测站，分别为观象台站、昌平站和上甸子站。观象台站位于北京南郊的大兴区，具体位置为39°48′N，116°28′E，海拔高度为31.3m；昌平站位于北京北郊的昌平区，具体位置为40°22′N，116°22′E，海拔高度为76.2m；上甸子站位于北京北部的密云县，是代表华北区域大气本底的观测站，也是代表京津冀经济圈区域的大气成分本底国家野外站，具体位置为40°39′N，117°07′E，海拔高度为293.9m。除观象台从2003年开始进行酸雨观测外，其余两个站均从1992年起进行连续观测。

2.1 降水资料

2003~2008年3个观测站共取得酸雨观测资料846个。文中平均pH值和酸雨频率（F）按照中国气象局《酸雨观测业务规范》（2005）[14]中的方法计算得出。

2003-2005年的酸雨观测资料，是按照中国气象局下发的《酸雨观测方法试行二版》的方法获得，其降水采样按照降水事件进行，即每个降水事件采集1个降水样品。本文采用降水量加权法求得多降水事件的日降水平均pH值，并采用将1天内所有降水事件的降水量进行相加，求得日总降水量。

2006年开始采用北京时每日08时为酸雨观测降水采样的日界，当日08时至次日08时为一个降水采样日。若一个降水采样日内有数次降水过程，则进行多次采样，并将其合并为一个降水样品。

2.2 探空资料

利用南郊观象台探空站逐日观测的08时和20时探空资料处理而获得1500m的高空风向与风速。06时起至18时前开始观测的酸雨资料用08时观测的探空资料进行分析；18时

起至次日06时前的酸雨资料，用20时的探空资料进行分析。酸雨资料则采用与探空资料相对应的观象台的酸雨资料进行分析。

2.3 大气成分资料

利用宝联站（位于海淀区宝联体育公园内，具体位置为39_56’N，116_17’E, 75.0 m）和上甸子站SO2、NO2和PM2.5每5分钟的在线观测数据，在数据质量控制的基础上，处理成日平均浓度值。观象台pH值数据结合城区宝联大气成分数据，同时上甸子pH值数据结合上甸子大气成分数据进行分析，统计酸雨pH值和降水发生的前1天SO2、NO2、PM2.5气溶胶的浓度。

3北京地区酸雨时空变化特征

3.1北京地区酸雨的年变化

对观象台、昌平和上甸子2003~2008年酸雨资料进行统计绘制图1。图1（a）为各站降水的年均pH值随时间变化的趋势。从图中可看出，3个观测站2003~2008年降水年均pH 值均小于5.6，除上甸子在2008年略有上升外，整体呈现下降趋势。观象台和昌平2007~2008年，上甸子2006~2008年的降水pH值均小于4.5，达到强酸雨等级。这说明近6年来北京地区降水为酸雨且酸性呈增强趋势。

图1（b）为各站2003-2008年酸雨频率的年际变化。从图中可看出，近6年各站的酸雨频率均呈上升趋势，其中上甸子站的酸雨频率为3个观测站中最高，其2008年酸雨频率已超过80%。通过对3个观测站2003~008年酸雨频率进行拟合（x为年变化，y为酸雨频率变化），得到方程如下：

y=10.59x-21185.27，R=0.97（观象台）

y=7.01x-14008.21， R=0.95（昌平）

y=7.35x-14690.95， R=0.92（上甸子）

通过方程可看出，三站的酸雨频率均随时间呈线性变化趋势（R值均大于0.90），并且三个观测站中，观象台酸雨频率上升速度最大，上甸子次之。上甸子是代表华北区域的大气本底站，其酸雨频率的快速上升表明了近年来华北区域的酸雨形势日益严峻。结合图1（a）和图1（b）还可看出，昌平和上甸子在2003~2007年间pH值下降趋势一致，但2008年昌平降水pH值下降幅度较上甸子大，pH值达到3.89，同时观象台在近6年中酸雨频率也大幅上升，以上都说明北京地区局地的降水酸性改变速度较华北区域整体改变速度要快，这与汤洁等对北京地区酸雨形势变化特点的分析一致 [15]。