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书书书第２５卷第４期２００９年８月气象与环境学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＹＡＮＤＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＶｏｌ．２５Ｎｏ．４Ａｕｇｕｓｔ２００９收稿日期：２００９－０１－１４；修订日期：２００９－０４－１０。基金项目：河北省气象局科研开发项目（编号：０７ＫＹ０９）资助。作者简介：周贺玲，女，１９７０年生，高级工程师，在读硕士研究生，主要从事可持续发展天气气候与环境方面研究，Ｅｍａｉｌ：ｚｈｌｔａｎｇｘｘ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ。石家庄市酸雨污染现状研究周贺玲１，２ 李丽平１ 曹跟华３ 王宏４（１南京信息工程大学，江苏南京２１００４４；２廊坊市气象局，河北廊坊０６５０００；３河北省气象科技服务中心，河北石家庄０５００２１；４承德市气象局，河北承德０６７０００） 摘 要：利用１９９２—２００５年石家庄气象站酸雨观测资料，计算了近１４ａ的年平均降水ｐＨ值、酸雨发生频率等反映酸雨强度的参数，分析了酸雨的变化特征以及ｐＨ平均值与气象条件、电导率、空气污染的关系。结果表明：１９９２—２００５年石家庄年平均酸雨发生频率为８７％；酸雨主要发生在夏、秋季，占全年的７４４％；月平均降水ｐＨ值与电导率具有相似的变化规律，显著相关系数为０６６１；ＳＯ２浓度的逐年下降是石家庄市酸雨减弱的主要原因；月平均风速与月平均降水ｐＨ值相关不显著；不同降水等级酸雨的发生频率差异较大，暴雨的酸雨发生频率最高为４１６７％。采用Ｄａｎｉｅｌ趋势检验法分析表明，石家庄酸雨污染呈下降趋势。关键词：酸雨；污染现状；气象因子；相关分析；石家庄 中图分类号：Ｘ５１７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３－５０３Ｘ（２００９）０４－００２７－０４１ 引言酸雨问题是当今世界的重大环境污染问题。酸雨是指ｐＨ值小于５６的雨水、冻雨、雪、雹、露等大气降水。大量的环境监测资料表明，由于大气层中的酸性物质增加，地球大部分地区上空的云水正在变酸，如不加控制，酸雨区的面积将继续扩大，给人类带来的危害也将与日俱增［１］。２０世纪７０年代末８０年代初我国覆盖四川、贵州、广东、广西、湖南、湖北、江西、浙江、江苏和青岛等省市部分地区，面积达２００多万ｋｍ２的酸雨区被列入世界第三大酸雨区之一［２］，仅次于欧洲和北美地区［３－４］。７０年代以来，我国酸雨一直呈发展趋势，酸雨面积已经超过国土面积的２９％。酸雨给地球生态环境和人类社会经济都带来严重的影响和破坏。研究表明，酸雨对土壤、水体、森林、建筑、名胜古迹等人文景观均带来严重危害，不仅造成重大经济损失，更危及人类生存和发展。我国的酸雨区主要分布在华中、西南、华南和华东四大酸雨区［５］。但是北方地区ｐＨ值小于５６的酸性降水也时有出现，因此有关北方酸雨的研究也很多。徐梅等［６］对天津市酸雨变化规律及成因进行了初步研究，发现天津市酸雨呈逐年减少趋势；王妍等［７］对我国东北地区的重工业基地抚顺进行了酸雨分布特征研究。石家庄市气象站自２０世纪９０年代初开始观测酸雨，至２００５年共有１４ａ的酸雨观测资料。了解石家庄酸雨现状和发展趋势对保护石家庄的生态环境具有重要意义。２ 资料与方法２１ 资料来源气象部门酸雨观测始于１９９２年，每次过程降水均观测一次，观测项目有：降水ｐＨ值、Ｋ值、水样温度、降水量、降水时段、云状、天气现象、风向和风速（０２、０８、１４时和２０时）。２００６年执行《酸雨观测业务规范》（２００５），由原来的过程观测改为日界观测０８：００—翌日８：００，不再观测云状，其他观测项目相同。本文采用１９９２—２００５年共１４ａ石家庄降水ｐＨ值观测资料以及同期气象资料。２２ 酸雨定义及等级划分定义ｐＨ值小于５６的降水为酸雨，其中４５≤ｐＨ值＜５６为弱酸雨，ｐＨ值小于４５为强酸雨。２３ 降水等级的划分根据业务规定：毛毛雨为０１≤Ｒ＜２；小雨为２≤Ｒ＜１０；中雨为１０≤Ｒ＜２５；大雨为２５≤Ｒ＜５０；暴雨为Ｒ≥５０（ｍｍ）。２４ 统计方法根据国家规定及各种研究资料，本文采用Ｄａｎｉｅｌ趋势检验法［８－１０］统计石家庄酸雨的变化趋势。统计检验用的秩相关系数公式为：ｒｓ＝１－［６∑ｎｉ＝１ｄｉ２］／［ｎ３－ｎ］（１）ｄｉ＝ｘｉ－ｙｉ式（１）中，ｒｓ为ｓｐｅａｒｍａｎ秩相关系数；ｘｉ为周期１至２８ 气象与环境学报第２５卷 周期ｎ按浓度值从小到大排列的序号；ｙｉ为按时间排列的序号；ｄｉ为变量ｘｉ与ｙｉ的差值；ｎ为时间周期。将秩相关系数ｒｓ的绝对值同ｓｐｅａｒｍａｎ秩相关系数统计表中临界值Ｗｐ进行比较，如果｜ｒｓ｜≥Ｗｐ，表明变化趋势有显著意义；如果ｒｓ是正值，则表明为上升趋势，反之为下降趋势。３ 结果分析３１ 石家庄酸雨变化规律３１１ 石家庄酸雨年际变化将１９９２—２００５年酸雨观测结果数据进行年统计，得出年平均降水ｐＨ值（图１）。１９９２—２００５年石图１ １９９２—２００５年石家庄年平均降水ｐＨ值变化曲线家庄年平均降水ｐＨ值范围为５０２—６４７。利用Ｄａｎｉｅｌ趋势检验法进行分析，１４ａ年平均降水ｐＨ值与时间的秩相关系数ｒｓ＝０７６７，假设取置信度为０９５，查表知Ｗｐ＝０４５６，ｒｓ是正值且｜ｒｓ｜≥Ｗｐ，表明１４ａ石家庄年平均降水ｐＨ值随时间变化上升趋势显著。年平均降水ｐＨ值１９９２—１９９８年除１９９７年外均低于６０，但１９９８年以后均高于６０，１９９６年年平均降水ｐＨ值最低达到５０２。按照酸雨定义，１９９２、１９９３、１９９５年和１９９６年石家庄年平均降水ｐＨ值低于５６，达到了酸雨标准。 １９９２—２００５年石家庄有效观测降水为５２８次，共出现酸雨４３次，其中强酸雨为６次，各年的酸雨发生频率平均值为８７％。酸雨统计结果见表１。１９９２—表１ １９９２—２００５年石家庄酸雨统计结果年份酸雨发生数／次强酸雨发生数／次酸雨发生频率／（％）样品总数／次１９９２５０１５６３２１９９３８２２０５３９１９９４２０５９３４１９９５１０２３２３３１１９９６６１１７１３５１９９７１０２６３９１９９８４１１０５３８１９９９１０３３３０２０００２０５７３５２００１００００３６２００２２０４４４５２００３１０２１４７２００４１０２３４４２００５００００４３２００５年酸雨发生频率为００％—３２３％，仅１９９３年和１９９５年超过２００％，１９９２—１９９６年石家庄酸雨发生频率较高，５ａ共发生３１次酸雨，但自１９９６年以后酸雨发生频率均为较低，最高值也仅有１０５％；１４ａ强酸雨主要出现在１９９３、１９９５、１９９６年和１９９８年，其他年份没有强酸雨出现。同理，采用Ｄａｎｉｅｌ趋势检验法分析结果表明，秩相关系数ｒｓ＝－０９６９，｜ｒｓ｜≥Ｗｐ，说明１４ａ年平均酸雨发生频率下降趋势显著。３１２ 石家庄酸雨月变化１９９２—２００５年酸雨月变化及月平均降水ｐＨ值见表２。由表２可知，各月均发生酸雨，酸雨月发生表２ 石家庄酸雨月变化及月平均降水ｐＨ值月份 １２３４５６７８９１０１１１２酸雨次数２２１４１３６７６４６１酸雨发生频率／（％）１５４１１８６３１０３２２４８５３７１１３３９１２６１９１占酸雨总数／（％）４７４７２３９３２３７０１４０１６３１４０９３１４０２３月平均降水ｐＨ值６１７５５６５８４５５８６３５５９７５８３５２２５３４５９０５２９５４５频率为２２％—２６１％，其中１１月酸雨发生频率最高为２６１％，１月次之为１５４％，而５月酸雨发生频率最低仅有２２％；６—１０月酸雨出现次数较多，但由于降水频繁，酸雨发生频率比１１月及１月低，１１月及１月因为降水较少，酸雨发生频率较高；月平均降水ｐＨ值为５２２—６３５，８月最低，５月最高。３１３ 石家庄酸雨季节变化酸雨的季节变化特征见表３。表３中，夏、秋季酸雨出现次数最多，均为１６次；其次为春季为６次，表３ 石家庄酸雨季节变化及季平均降水ｐＨ值项目春季夏季秋季冬季酸雨次数６１６１６５酸雨发生频率／（％）５９５８１４３１２２占酸雨总数／（％）１４０３７２３７２１１６季平均降水ｐＨ值５８９５１９５３７５６１冬季最少仅有５次；酸雨发生频率秋季最高为 第４期周贺玲等：石家庄市酸雨污染现状研究２９ １４３％，冬季次之为１２２％，夏季最低为５９％，这与天津［６］的酸雨发生频率有差异。石家庄酸雨主要集中在夏、秋季，夏、秋季出现酸雨次数占全年的７４４％；石家庄四季降水ｐＨ值为５１９—５８９，即夏季小于秋季小于冬季小于春季。３２ 月平均降水ｐＨ值与电导率电导率值（又称Ｋ值）可反映出大气降水的洁净程度；降水的电导率越小，说明水中的杂质越少，降水较洁净。月平均降水ｐＨ值与电导率呈现明显的正相关，相关系数为０６１６（通过了显著性水平为００５的双尾ｔ检验）。Ｋ值在一定程度反应了大气气溶胶的浓度，这说明大气气溶胶的碱性物质可以缓冲大气中的酸性成分。１９９２—２００５年石家庄月平均降水ｐＨ值与Ｋ值的对比分析见图２。由图２可图２ １９９２—２００５年月平均降水ｐＨ值与Ｋ值对比变化曲线知，Ｋ平均值与降水ｐＨ平均值具有相似的变化规律，石家庄月平均电导率变化范围为７６３８—１９０８９μｓ／ｃｍ，３月电导率最大，相应的降水ｐＨ值较大。电导率呈明显的季节特征，冬季最高，春季次之，夏季最低。３３ 空气污染对酸雨的影响空气中ＳＯ２、ＮＯ２均属于致酸性物质。ＳＯ２、ＮＯ２经过复杂的化学反应可以生成降水中的Ｈ２ＳＯ４和ＨＮＯ３［１１］。研究表明，北方地区可吸入颗粒物ＰＭ１０的变化对降水的酸性有缓解作用［１２］。利用２００１—２００５年石家庄酸雨资料及空气质量监测数据（表４），对年平均ＳＯ２、ＮＯ２、ＰＭ１０与年平均降水ｐＨ值进行分析发现，年平均ＰＭ１０、ＳＯ２的浓度总体呈下降趋势，与年平均降水ｐＨ值的变化趋势相反；ＮＯ２的浓度变化比较平稳。尽管ＰＭ１０的浓度也呈逐年下降趋势，其与ＳＯ２对降水ｐＨ值的作用是相反的，但可能ＳＯ２下降的影响超过ＰＭ１０下降的影响，说明在石家庄地区，ＳＯ２的浓度变化对降水的酸度有更大的影响。３４ 月平均降水ｐＨ值与气象条件 酸雨现象是大气化学过程和大气物理过程的综合效应，其中致酸前体物的排放和大气污染物扩散表４ ２００１—２００５年石家庄年平均降水ｐＨ值与年平均空气质量监测数据年份ＳＯ２／（ｍｇ·ｍ－３）ＮＯ２／（ｍｇ·ｍ－３）ＰＭ１０／（ｍｇ·ｍ－３）年平均降水ｐＨ值２００１０２４３００６８０２０６６４７２００２０１７０００５３０１８２６２９２００３０１５２００４４０１７５６４４２００４００７４００３３０１２３６０７２００５００５４００４１０１３２６４１条件是引起酸雨污染的主要原因。影响酸雨污染的大气扩散条件包括造成大气局地污染的地形、气温、风速和降雨量等气象要素［１３］。以下讨论酸雨污染与风速、降雨量的关系。３４１ 月平均降水ｐＨ值与风速利用ＳＰＳＳ统计分析软件［１４］，将月平均风速与月平均降水ｐＨ值进行相关分析，虽然正相关系数达到了０２８１，但未通过显著性检验。图３为两者的对比分析。从图３中可以看出它们之间存在一定关图３ １９９２—２００５年月平均降水ｐＨ值与平均风速对比变化曲线系，降水ｐＨ值最大月份为５月，月平均风速次大。这与当地的土壤成分有关，我国北方土壤中碱性物质的含量高于南方，且北方缺乏植被覆盖，较大的风速吹起北方土壤的碱性颗粒，对酸性降水具有较大的缓冲作用［１５］。３４２ 月平均降水ｐＨ值与雨量的关系分析石家庄不同降水等级下的ｐＨ值、酸雨变化情况，结果见表５。由表５可知，石家庄小雨出现频次表５ 不同降水等级下降水ｐＨ值和酸雨频率变化雨量等级毛毛雨小雨中雨大雨暴雨出现次数９１２４７１１８４８２４强酸雨频率２５０７７１６７２５０４００弱酸雨频率７５０９２３８３３７５０６００降水ｐＨ值６０２５８５５５７４９２４２５酸