濟南市近年酸雨特征及其影響因素

楊何著

1.南京大學大氣科學學院中尺度災害性天氣教育部重點實驗室，江蘇南京210093

2.山東省氣象局，山東濟南250031

濟南市近年酸雨特征及其影響因素

楊何著1，2

1.南京大學大氣科學學院中尺度災害性天氣教育部重點實驗室，江蘇南京210093

2.山東省氣象局，山東濟南250031

根據2008～2012年濟南市酸雨觀測資料、探空資料和大氣監測資料，分析了濟南市酸雨的年、季變化特征，同時研究了酸性降水與氣象條件和大氣污染物的關系。統計資料證明：近5年濟南市的酸雨無論從頻率還是從強度上都呈現減弱趨勢。降水pH值秋季最低，夏季最高；酸雨頻率秋季最高，冬季最低。分析得出，影響濟南市酸雨的主要大氣污染物是PM10和SO2；在偏東風影響下，酸雨污染嚴重；酸雨的發生也會受逆溫影響，降水前1 d及當天均出現逆溫時，酸雨出現頻率最高；隨著降水量的增加，pH值逐漸降低，中雨時酸雨頻率最高；另外，霧和輕霧也容易導致酸雨的發生。

酸雨；pH值；酸雨頻率；影響因素

酸雨是指pH值小于5.6的雨雪或其他形式的降水。雨、雪等在形成和降落過程中，吸收并溶解了空氣中的二氧化硫、氮氧化物等物質，形成了酸雨。目前我國北方酸雨區主要分布在京津冀、河南和山東省的部分地區［1］，山東除棗莊以外的其它城市都不同程度存在酸雨［2］。濟南山東省省會，位于山東省中西部，北接京津冀，南連長三角，而且是環渤海經濟圈的組成部分，是全國重要工業基地，有鋼鐵、石化等大型企業。濟南市汽車保有量巨大，近幾年來，汽車增長率在每年20%以上。工業污染加重，汽車尾氣排放量的日益增加，加之秋冬季燃煤量大，使濟南的酸雨危害不可小視。有學者研究表明，濟南的酸雨在2006到2008年間明顯增強［3］，2008年酸雨頻率達到近幾年的最高值。但隨著政府實施二氧化硫、氮氧化物等污染物排放總量控制和2009年十一屆全運會的召開，近年來濟南酸雨正朝著減緩的趨勢發展。本文根據濟南市酸雨觀測資料和環保部門的大氣污染物監測資料，探討和分析2008到2012年濟南酸雨的影響因素和發展變化情況。

1 材料與方法

1.1 酸雨觀測資料

本文所用酸雨資料為2008年1月至2012年12月濟南市酸雨觀測站5年間的292個降水樣本，濟南市酸雨觀測站位于濟南市南郊十六里河龜山，具體位置為36。36，N，117。00，E，海拔高度為170.3 m，該站從2002年11月起進行酸雨觀測。降水采樣以當日08：00至次日08：00為一個采樣日界，pH值的測量使用pH計。在一個降水采樣日內，降水量達到1.0 mm或以上，采集一個日降水樣本。若一個降水采樣日內有幾次降水過程，則多次采樣后合并為一個日降水樣品。對降水酸度數據處理，采用雨量加權平均值，酸雨的臨界指標按如下區間劃分［4］：pH＜4.0強酸性降水；4.0≤pH＜4.5較強酸性降水；4.5≤pH＜5.6弱酸性降水。

1.2 探空資料

逆溫層資料是利用濟南市章丘探空站逐日觀測的08時和20時探空資料處理而得到大氣逆溫層頂部和底部的溫度、高度等資料。

1.3 大氣成分資料

大氣污染物濃度（PM10、SO2、NO2）資料為濟南市環境監測站8個監測點（科干所、農科所、開發區、濟南化工廠、省種子倉庫、機床二廠、市監測站、長清黨校）的觀測數據（取8站平均值），在數據質量控制的基礎上處理成日平均濃度值。

2 結果與討論

2.1 酸雨的變化特征

2.1.1 酸雨的年際變化在2008～2012年的292個降水樣本中，pH值小于5.6的酸性樣本95個，占32.5%，非酸性降水樣本197個，占67.5%。

由圖1可見，5年間，各年出現酸雨次數為30次、11次、18次、20次、16次，酸雨頻率分別為50%，17.7%，32.1%，32.8%，30.2%。強酸性降水僅出現了1次，占降水樣本的0.3%，pH值為3.97，出現在2010年8月16日；較強酸性降水出現了3次，占降水樣本的1.0%，pH值分別為4.41、4.33和4.44，分別出現在2010年8月11日，2010年8月26日和2011年11月3日；弱酸性降水占降水樣本的30.1%。由圖可見，酸雨頻率的線性趨勢呈下降趨勢，表明2008～2012年酸雨頻率逐年降低。

圖1 2008～2012年濟南市不同酸度酸雨頻率變化趨勢Fig.1 The tendency of changes in acid rain frequencies at different acidity grades in Jinan from 2008 to 2012

圖2 2008～2012年濟南市降水平均pH值、年最低pH值變化趨勢Fig.2 The tendency of the average pH value and the lowest pH value from 2008 to 2012

由圖2可以看出，2008～2012年降水樣本年均pH值分別為5.53、5.95、5.72、5.71、5.74，平均pH值為5.73，酸雨樣本平均pH值為5.20，年最低pH值在4.33到5.02之間變化，降水年均pH值趨勢線系數為0.018，年最低pH值趨勢線系數為0.044，可見兩條曲線都呈上升趨勢。總的來說，5年內濟南市的酸雨無論從頻率還是從酸度都呈現減弱趨勢。值得注意的是，2009年的酸雨頻率是5年內最低值，而pH值是5年內最高值，這是因為濟南是2009年十一屆全運會的主會場，為了給賽事舉辦營造一個良好的環境，市政府開展了一系列大氣污染環境治理工作，這對2009年酸雨的減弱起著至關重要的作用。

2.1.2 酸雨的年內變化根據濟南市的氣候特點，以3～5月、6～8月、9～11月、12至次年2月分別表示春、夏、秋、冬四季。酸雨在各月、各季的變化如表1所示。

表1 不同月份的降水酸性特征Table 1 Characteristics of precipitation acidity in different months

分析表1可以看出：

（1）濟南市的酸雨呈明顯的季節性分布，從平均pH值分布來看，秋季降水pH值最小，為5.56，其中11月最小，僅為5.40，酸度最強；夏季降水的酸度最弱，pH值為5.83，6月最高，為6.02。

（2）從酸雨出現的頻率來看，秋季的酸雨頻率最大，達到56.1%，特別是11月，酸雨頻率達到75%；夏冬兩季酸雨頻率較小，分別為22.4%和21.4%。

這種現象的出現，主要是因為濟南是北方城市，土壤和沙粒偏堿性，這些堿性物質會緩沖大氣中的酸性物質［5］。因此，濟南冬、春季雖然沙塵天氣較多，但酸雨頻率并不高，酸度也不強。夏季污染物濃度最低［6］，污染源少，大氣對流發展強烈，易于污染物的擴散［7］，且夏季多雨，對污染物能起沖刷作用。

2.2 氣象條件及污染物對酸雨的影響

氣象條件對酸雨形成的影響主要表現在兩個方面：在大氣物理方面影響著酸性物質的清除、擴散和輸送過程，在化學方面影響著酸雨前體物的轉化速率［8］。濟南市酸雨中的酸性物質主要源于大氣中的可吸入顆粒物（PM10）、SO2、NO2等等，這些大氣污染物可由自然源放射，但主要來源于人類的生產、生活活動。在相同源強條件下，氣象條件的不同可引起酸雨強度分布不同。

2.2.1 酸雨與大氣污染物濃度的關系我國降水化學組成仍屬硫酸型，但正在向硫酸-硝酸混合型轉變，主要是因為工業上SO2和NO2等本性物質的排放，此外，各種機動車排放的尾氣中富含NOX，使酸雨中NO3-濃度逐步增大［1］。上世紀90年代普查結果發現，我國降水成分中硫酸根成分大約是硝酸根的4～10倍，山東為3～6倍，2007年至2009年的酸雨普查結果表明，全國酸雨成分中硫酸根與硝酸根的比值已降至2～6倍，山東降至2～3倍，山東的酸雨成分已從“硫酸型”轉變為“硫酸硝酸混合型”。近年來，PM10成為公眾關注的重點，它在環境空氣中持續的時間很長，對人體健康和大氣能見度影響都很大。一些顆粒物來自污染源的直接排放，比如煙囪與車輛。另一些則是由環境空氣中硫的氧化物、氮氧化物、揮發性有機化合物及其它化合物互相作用形成的細小顆粒物。大氣中的污染物是導致濟南市酸性降水的重要成因，污染物的濃度也是決定酸性降水強度的一個重要指標。

圖3 2008～2012年PM10、SO2、NO2年平均濃度變化趨勢Fig.3 The tendency of PM10concentration，SO2concentration and NO2concentration from 2008 to 2012

圖4 2011年9～11月酸雨pH值與PM10、SO2、NO2的變化關系Fig.4 The relationship between the pH value，PM10concentration，SO2concentration and NO2concentration from Sep.to Nov.in 2011

由圖3中pH值的線性趨勢線可見，5年間降水的pH值總體呈上升趨勢，PM10的濃度總體呈逐年遞減的趨勢，SO2的濃度變化幅度較小，NO2的濃度呈逐年上升的趨勢。說明近年來，NO2對濟南降水酸度的貢獻較差，濟南酸雨的重要前提物是PM10，PM10的濃度卻在降水酸度中發揮了主要作用。

魏玉香研究發現，PM10的污染分指數最大，是環境空氣首要污染物［6］。蒲維維指出，空氣中的氣溶膠不但不能起到中和酸雨的作用，其中的酸性成分還可能對降水酸性的增強有較大貢獻［9］。統計2011年9～11月酸雨pH值與PM10、SO2、NO2濃度，其相關系數分別為-0.86，-0.7和-0.37，其中pH值與PM10的相關系數通過了置信度為0.01的顯著性檢驗，pH值與SO2的相關系數通過了置信度為0.05的顯著性檢驗，pH值與NO2的相關系數未通過顯著性檢驗。上述結果說明，pH值與PM10和SO2具有較好的相關性，濟南市酸性降水的主要大氣污染物是PM10和SO2，其次是NO2。大氣污染越重，酸雨越強，這在北京等地都出現了相同的規律［9］。

2.2.2 酸雨與風向、風速的關系風是影響污染物擴散的重要動力因子，風向決定污染物擴散的方位，風速則表征污染物擴散能力［10］。選取95個酸性樣本的風向進行分析，每個酸性樣本取每日14時、20時、02時、08時四個風向作為主導風向，統計出酸雨時的風向頻率。由圖5可見，當NE、E、SE風向時，酸雨發生的幾率是最大的，說明濟南市出現偏東風時更容易形成酸雨。靜風時的酸雨頻率為0.5%，W風向到S風向時的酸雨頻率也都在2.5%左右，可見濟南市的酸雨與外地污染物有很大關聯。

東北風、東風或東南風時降水的酸度高是由濟南市所處的地理位置造成的。濟南東部除了有污染較嚴重的濟鋼、煉油廠等企業，從東北到東南還有工業迅速發展的東營、淄博、濰坊、萊蕪等市，這些城市幾乎都以石油化工、鋼鐵、紡織、建材、冶金為主要工業產業。《山東省2013～2020年大氣污染防治規劃》中的數據表明，2010年，工業煙粉塵的排放量，萊蕪為8萬噸，淄博為7萬噸，濰坊近4萬噸，揮發性有機物的排放量，濰坊27萬噸，淄博為12萬噸，東營近8萬噸，均居全省前列。當吹偏東風時，這些城市的致酸物質就隨風輸送到濟南上空，所釋放的硫化物和氮氧化物在空中成為云凝結核，吸收水汽成為云滴，經云雨過程形成雨滴落下而成為酸雨。

圖5 濟南酸雨發生期間的盛行風向Fig.5 Prevailing wind direction during acid rain in Jinan

圖6 濟南市2008、2012年各月平均風速和酸雨頻率的變化關系Fig.6 The relationship between the average speed of the winds and the frequency of acid rain at Jinan in 2008 and 2012

風速對酸雨的發生也有影響，風速越大，單位時間內污染物被輸送得越遠，混入的空氣越多，污染物的濃度越低，這也反映了風對污染物水平輸送的同時也有稀釋和沖淡的作用［11］。程相坤指出，風速與酸雨的負相關關系說明本地污染源在酸雨形成中占有較大比重［12］。由圖6可見，2012年濟南市風速與酸雨頻率反相關對應關系較2008年差，說明外地污染源在濟南酸雨形成中越來越占有較大比重。

2.2.3 逆溫對酸雨的影響一般而言，如果降水前大氣層結比較穩定，就常伴有逆溫出現，使低層大氣污染物難以向上擴散，在局部形成污染物堆積，一旦降水出現，在云下“沖刷”作用下降水酸度將發生明顯變化［13］。

在95個酸雨樣本中，降水前或降水時伴有逆溫狀況的樣本有66個，占全部酸雨樣本的69.5%。在66個樣本中，降水前1 d出現逆溫的酸雨樣本數為21個，降水當天出現逆溫的酸雨樣本數為9個，降水前1 d及當天均發生逆溫的酸雨樣本數為36個，從以上數據看出，降水前1 d及當天均發生逆溫時，酸雨樣本數最多。這是由于在連續逆溫條件下，邊界層內大氣污染物的擴散能力弱，大量的PM10、SO2、NO2等污染物被抑制在逆溫層內，形成有利于降水酸化的大氣條件。統計表明，濟南秋季逆溫日數最多，且逆溫溫差較大，逆溫比較明顯，5年內連續兩天及以上發生逆溫的次數以秋季最多，由此可見，秋季大氣低層垂直對流活動相對比較弱，有利于逆溫形成，抑制大氣低層的污染物的水平和垂直方向的擴散。所以，濟南秋季的逆溫是造成濟南秋季酸雨嚴重的原因之一。

2.2.4 酸雨與降水量和霧的關系由圖7可見，隨著降水量的增加，酸雨頻率出現波動狀態，中雨時酸雨頻率最高，為35.6%，大雨時最低，為28%，暴雨及以上時酸雨頻率穩定維持。而對于pH值而言是呈逐漸降低的趨勢，從小雨到暴雨，pH值一路走低。

從292個降水樣本中選取了71次連續降水樣本，這些樣本都滿足降水開始結束時間出現在兩天，或是降水持續時間超過24 h分為多次測量。前一次的降水pH值比后一次的降水pH值高的有44次，低的有26次，相同的有1次，高出率為69.2%，由此可見，降水初期的pH值普遍比較大。

圖7 降水量、降水pH值與酸雨頻率的變化關系Fig.7 The relationship between precipitation，pH value and the frequency of acid rain

霧形成的天氣條件是低層風速小，濕度較大，大氣穩定，大氣中的污染物不宜擴散，加之水汽充沛，一旦降水很容易形成酸雨［14］。統計分析95個酸雨樣本，其中霧或輕霧樣本達73個，占到76.8%。在292個降水樣本中觀測到17次霧天，平均pH值為5.69，最小值為4.41，最大值為6.40，在17次霧天中，7次出現了酸雨，酸雨頻率為41.2%。

3 結論

（1）2008到2012年間，濟南的酸雨頻率為32.5%，降水樣本的平均pH值為5.73，酸雨樣本平均pH值為5.20，5年內濟南市的酸雨無論從頻率還是從酸度都呈現減弱趨勢。

（2）從季節分布來看，秋季酸雨頻率最大，冬季酸雨頻率最小；秋季降水pH值最低，夏季降水pH值最高，其中11月降水酸度最強，6月最弱。

（3）濟南市降水pH值與PM10和SO2具有較好的相關性，影響濟南市酸雨的主要大氣污染物是PM10和SO2。

（4）酸雨發生時出現偏東風的幾率更大，說明偏東氣流對外地污染物的輸送與濟南酸雨形成關聯性較大。

（5）降水前或降水時常伴有逆溫發生，降水前1 d及當天均出現逆溫狀況時，酸雨出現頻率最高。秋季逆溫日數最多，溫差較大，逆溫比較明顯。

（6）隨著降水量的增加，pH值逐漸降低，中雨時酸雨頻率最高，大雨時最低。霧和輕霧也對酸雨有一定影響。

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Characteristics and Effective Factors of Acid Rain in Jinan for Recent Years

YANG He-zhu1，2
1.Key Laboratory of Mesoscale Severe Weather of Ministry of Education，School of Atmospheric Sciences，Nanjing University，Nanjing 210093，China
2.Shandong Meteorological Bureau，Jinan 250031，China

The annual and seasonal characteristics of acid rain in Jinan，and the relationship between acid rain，meteorological factors and pollutant concentrations were analyzed based on the observed acid rain data，the sounding data and atmospheric monitoring data from 2008 to 2012 at Acid Rain Observation Station of Jinan.The statistics showed a decreased tendency for both the frequency and intensity of acid rain in Jinan in recent 5 years.The average pH value of precipitation was lowest in autumn and highest in summer，while the frequency of acid rain was highest in autumn and lowest in winter.It was found that PM10and SO2were the main atmospheric pollutants contributing to acid rain in Jinan.The transport of pollutants by easterlies enhanced the acidity of precipitation.The acid rain was also influenced by the temperature inversion.The frequency of acid rain increased when temperature inversion occurred at rainy days and the days before.The pH value decreased with the increase of rainfall in a single event.The acid rain was most likely to form when moderate rain occurs. Additionally，fog（light fog）also favored the formation of acid rain.

Acid Rain；pH value；frequency of acid rain；effective factors

X517

A

1000-2324（2015）01-0023-05

2013-08-23

2013-09-02

楊何著（1983-），女，漢族，陜西漢中人，助理工程師，主要從事大氣環境等方面的研究.E-mail：sdjzcyhz@foxmail.com