民勤地區(qū)酸雨變化特征與沙塵的關(guān)系

王榮基，李軍

（甘肅省民勤縣氣象局，甘肅民勤 733300）

民勤地區(qū)酸雨變化特征與沙塵的關(guān)系

王榮基，李軍

（甘肅省民勤縣氣象局，甘肅民勤 733300）

利用民勤國家基準(zhǔn)氣候站1993—2012年20 a的酸雨監(jiān)測(cè)記錄及對(duì)應(yīng)時(shí)段的沙塵觀測(cè)資料，分析了民勤地區(qū)酸雨變化特征及降水pH、K值與沙塵天氣的關(guān)系。結(jié)果表明：酸雨在民勤一年中各個(gè)季節(jié)均有出現(xiàn)，酸性偏弱，出現(xiàn)頻率小；沙塵天氣在一定程度上中和了降水的酸性，使降水的pH趨于增大。

酸雨；特征；沙塵；關(guān)系；民勤

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］。有關(guān)酸雨的成因、分布及發(fā)展趨勢(shì)，我國學(xué)者開展了大量卓有成效的研究［2～12］。人類活動(dòng)或火山爆發(fā)等自然災(zāi)害排放的二氧化硫和氮氧化物等酸性氣體，進(jìn)入大氣后經(jīng)過各種物理化學(xué)過程，使雨、霧、雪和雹等酸化，導(dǎo)致酸性濕沉降形成酸雨［13］。有研究表明，形成酸雨必須具備3個(gè)條件，必要的污染源、特殊的地理環(huán)境、適當(dāng)?shù)臍夂驐l件，這說明降水的酸度除受大氣污染物和源場變化的影響外，氣象要素變化對(duì)降水酸度影響相當(dāng)明顯。我們?cè)诜治雒袂诘貐^(qū)酸雨特征的同時(shí)，結(jié)合同步觀測(cè)的沙塵天氣監(jiān)測(cè)資料，分析了降水pH和K值與沙塵天氣的關(guān)系，對(duì)認(rèn)識(shí)沙塵天氣多發(fā)區(qū)的酸雨特征有一定幫助。

1 研究區(qū)概況

甘肅省民勤縣地處河西走廊東北部，東經(jīng)101°49′41″～104°12′10″、北緯38°3′45″～39° 27′37″。東、北、西三面環(huán)沙，被騰格里和巴丹吉林兩大沙漠包圍，是典型的干旱荒漠氣候區(qū)，干旱少雨、蒸發(fā)劇烈、風(fēng)沙天氣多、冬冷夏熱、光照充足、晝夜溫差大。年均降水量110 mm，蒸發(fā)量高達(dá)2 644 mm；年均氣溫7.8℃，晝夜溫差25.2℃；年日照時(shí)數(shù)為3 073.5 h，無霜期162 d。主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镋風(fēng)和WNW風(fēng)，E風(fēng)的上游是騰格里沙漠，WNW風(fēng)的上游是巴丹吉林沙漠。

2 資料來源及統(tǒng)計(jì)方法

研究資料來源于民勤國家基準(zhǔn)氣候站，包括1993—2012年逐年每次有效降水起止時(shí)間、降水量、降水的pH、電導(dǎo)率值（K）；逐月沙塵日數(shù)；降水期間的天氣現(xiàn)象、風(fēng)向、風(fēng)速等。2005年以前1次降水過程結(jié)束后若降水量達(dá)到1.0 mm就采集1個(gè)降水樣品，測(cè)定降水的pH和K值；2005年以后，每日8：00時(shí)為酸雨觀測(cè)降水采樣日界，當(dāng)日8：00時(shí)至次日8：00時(shí)為1個(gè)降水采樣日。在1個(gè)降水采樣日，無論降水是否間歇及間歇長短，降水量達(dá)到1.0 mm時(shí)，必須采集1個(gè)降水樣品。pH平均值采用降水量氫離子濃度加權(quán)計(jì)算，K平均值采用降水量加權(quán)方法計(jì)算，采集方式不同對(duì)相關(guān)的統(tǒng)計(jì)分析并無影響。

《酸雨觀測(cè)業(yè)務(wù)規(guī)范》對(duì)酸雨的定義及各種統(tǒng)計(jì)方法作了規(guī)定［1］，酸雨是指pH小于5.60的大氣降水。酸雨出現(xiàn)頻率為1 a酸雨出現(xiàn)次數(shù)除以全年測(cè)量降水pH的總次數(shù)。

月（季、年）平均pH氫離子濃度［H+］——降水量加權(quán)法計(jì)算公式：

月（季、年）平均K值的降水量加權(quán)計(jì)算公式：

式中Ki為每次降水的值，為降水量加權(quán)的月（季、年）平均K值（均為25℃時(shí)的值），單位為μS/cm，Vi為每次降水的降水量，單位為mm。

3 結(jié)果與分析

3.1 酸雨特征

1993—2012年，民勤國家基準(zhǔn)氣候站對(duì)418個(gè)降水樣本測(cè)定了pH及K值，其中達(dá)到酸雨標(biāo)準(zhǔn)的有9次（表1），其中pH最小的為4.12，出現(xiàn)在2011年8月16日；最大為5.40，出現(xiàn)在1998年8月14日。在出現(xiàn)的9次酸雨中，有1次為強(qiáng)酸雨（pH＜4.5），其它均為弱酸雨，酸雨的平均pH為5.10，pH變化幅度不大。酸雨主要出現(xiàn)在1997—2001年和2009—2012年，1997—2001年5 a內(nèi)共出現(xiàn)5次，2009—2012年4 a共出現(xiàn)4次，1次強(qiáng)酸雨出現(xiàn)在此時(shí)段。1993—2012年出現(xiàn)酸雨的年平均頻率為2.2%，最大頻率為11.1%，出現(xiàn)在2001年；其次是1998年，頻率為8.3%，有13 a沒有出現(xiàn)酸雨，即出現(xiàn)頻率為0。從出現(xiàn)季節(jié)上看，夏季出現(xiàn)4次，出現(xiàn)頻率為2.1%；秋季和冬季各出現(xiàn)2次，出現(xiàn)頻率分別為1.9%和6.7%；春季出現(xiàn)1次，出現(xiàn)頻率為1.1%。由于民勤降水多出現(xiàn)于夏季（夏季降水占全年的57.1%），冬季出現(xiàn)降水較少（冬季降水占全年的3.1%），所以雖夏季出現(xiàn)酸雨的次數(shù)最多，但出現(xiàn)頻率卻遠(yuǎn)低于冬季。民勤縣為農(nóng)業(yè)縣，周邊及上游無工業(yè)污染，且觀測(cè)點(diǎn)所在地地勢(shì)平坦，當(dāng)?shù)氐奈廴据^小，對(duì)降水的酸化程度極小，為酸雨少發(fā)區(qū)，但近年來酸雨有增多增強(qiáng)的趨勢(shì)。

3.2 降水pH的變化特征

大氣降水的酸堿度用pH表示，pH是大氣降水氫離子濃度的負(fù)對(duì)數(shù)。民勤1993—2012年逐次降水的pH最大為8.83，出現(xiàn)于1993年5月31日。pH大于8.60，即降水偏于堿性的降水只出現(xiàn)1次，出現(xiàn)頻率為0.2%；pH小于5.60，即降水偏于酸性的出現(xiàn)9次，出現(xiàn)頻率為2.2%；絕大部分降水pH為5.60～8.60，為中性降水，出現(xiàn)頻率為97.4%。

表1 1993—2010年民勤酸雨變化

圖1為近19 a以來民勤降水年均pH及年總沙塵日數(shù)年際變化圖。可以看出，1993年以來，民勤降水年平均pH，1997—2002年和2009—2012年處于低位，9次酸雨均出現(xiàn)在這兩個(gè)時(shí)段，2011年平均pH最小，為5.60，其中唯一1次強(qiáng)酸雨出現(xiàn)在2011年；2006年平均pH最大，為7.46。總體上年均pH呈略微減小的趨勢(shì)。

圖1 1993—2012年民勤降水量加權(quán)的年均pH及年總沙塵日數(shù)變化

圖2為民勤近20 a降水月平均pH與年沙塵日數(shù)月際變化圖。從圖中可以看出，11月份月平均pH最小為5.91，這是由于11月份出現(xiàn)2次酸雨，同時(shí)11月份降水較少，測(cè)量降水pH的樣本少，受2次酸雨影響，使該月pH最小；12月份月平均pH最大，為7.28，月平均pH無明顯的變化趨勢(shì)。月際變化從10月到4月呈逐月增大的趨勢(shì)，4月到10月為逐月減小的趨勢(shì)。

圖3為民勤近20 a降水量季平均pH與季總沙塵日數(shù)變化圖。由圖3可見，民勤春季降水平均pH最大，夏季、秋季和冬季相當(dāng)，無明顯的變化趨勢(shì)。

圖2 1993—2012年民勤降水量加權(quán)的月均pH及月總沙塵日數(shù)變化

圖3 1993—2012年民勤降水量加權(quán)的季平均pH及季總沙塵日數(shù)變化

3.3 降水量K值變化特征

大氣降水的電導(dǎo)率也稱為K值，它反映大氣降水的潔凈程度，大氣中的各種污染氣體和顆粒物的可溶成分進(jìn)入降水后，使其導(dǎo)電能力增加，降水K值的大小，在一定程度上反映出降水中這些物質(zhì)的總含量水平，也是降水被環(huán)境物質(zhì)污染的指標(biāo)之一。由于受大風(fēng)沙塵天氣的影響，民勤降水極易受到污染，從每次降水的K值上也有所反映，1993—2012年逐次有效降水的K值最小的為60.0，最大的達(dá)到336.0，變化幅度較大。

圖4為1993—2012年民勤降水量年平均K值及年沙塵天氣日數(shù)變化圖。從圖中可以看出，民勤降水量年平均K值1993年最小，只有32.2 μS/cm；2006年最大，達(dá)到101.3 μS/cm。1993年至2006年表現(xiàn)為增大的趨勢(shì)，2006年之后又呈減小的趨勢(shì)。

圖4 1993—2012年民勤年均降水K值及年沙塵天氣變化

圖5為1993—2012年民勤降水月平均K值及月沙塵天氣日數(shù)變化圖。由圖可見，民勤降水月平均K值2月份最大，為104.7 μS/cm；11月份次之，為97.8μS/cm；10月份最小，為49.6 μS/cm。從1到10月為逐月減小的趨勢(shì)，11月份較為異常，明顯偏大，這是由于11月份降水較少，測(cè)量降水K值的樣本少，其中有1次降水的K值較大，受其影響，11月份平均K值偏大。

圖6為1993—2012年民勤季平均K值及季沙塵天氣日數(shù)變化圖。由圖可見，季平均K值冬季最大，春季次之，秋季最小，夏季和秋季相當(dāng)。

圖5 1993—2012年民勤月均降水K值及月沙塵天氣變化

圖6 1993—2012年民勤季均降水K值及季沙塵天氣變化

3.4 降水pH、K值和沙塵天氣的關(guān)系

3.4.1 降水pH與沙塵天氣的關(guān)系圖1、圖2和圖3分別為民勤降水年、月和季的平均pH與對(duì)應(yīng)時(shí)段沙塵日數(shù)的變化圖。由圖1可見，近20 a民勤年平均pH為略微減小的趨勢(shì)，年沙塵日數(shù)為明顯減少的趨勢(shì)。計(jì)算二者的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.12，沒有通過0.5的相關(guān)性檢驗(yàn)，說明年平均pH與沙塵日數(shù)為正相關(guān)的關(guān)系，但相關(guān)性不顯著。由于測(cè)定降水pH的樣本數(shù)有限，有些年份所有測(cè)定降水pH的當(dāng)日或前一日均沒有沙塵天氣，所以不能準(zhǔn)確顯示出降水pH和沙塵日數(shù)的關(guān)系，代表性不好，但兩者的變化趨線基本一致。由圖2可見，月平均pH與月總沙塵日數(shù)的變化基本趨于一致，沙塵日數(shù)多的月份對(duì)應(yīng)月平均pH也趨于增大，計(jì)算兩者的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.28，通過0.5的相關(guān)性檢驗(yàn)，說明兩者為正相關(guān)的關(guān)系，相關(guān)關(guān)系顯著。由于3、4月份沙塵天氣較多（沙塵天氣占全年的31.9%），而降水卻較少（降水占全年的6.8%），1、11、12月份沙塵天氣少（3個(gè)月沙塵日占全年的13.7%）、降水量小（3個(gè)月的降水占全年的2.1%），所以這幾個(gè)月的對(duì)應(yīng)關(guān)系不是很好，4月份還出現(xiàn)相反的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由圖3可見，季平均pH與沙塵日數(shù)的變化趨勢(shì)基本一致，計(jì)算二者的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.80，通過0.2的相關(guān)性檢驗(yàn)，說明降水的季平均pH與季沙塵日數(shù)為顯著正相關(guān)關(guān)系。

為進(jìn)一步說明降水pH與沙塵天氣的關(guān)系，分出現(xiàn)降水并測(cè)定降水pH的當(dāng)日或前一日出現(xiàn)沙塵天氣和沒出現(xiàn)沙塵天氣兩種情況統(tǒng)計(jì)計(jì)算平均pH，得出有沙塵天氣的降水平均pH為6.94，無沙塵天氣的降水平均pH為6.23；有沙塵天氣出現(xiàn)降水測(cè)定的pH比無沙塵天氣出現(xiàn)降水測(cè)定的pH大，說明沙塵天氣下降水pH偏大。出現(xiàn)沙塵天氣的前提條件是豐富的沙源和一定的風(fēng)速，沙塵天氣的強(qiáng)弱與風(fēng)速成正比例關(guān)系［15～16］。在干旱且沙源豐富的民勤地區(qū)，即使沒有出現(xiàn)沙塵天氣，只要風(fēng)速較大也會(huì)出現(xiàn)大量塵埃，對(duì)降水pH產(chǎn)生影響，所以選取測(cè)定降水pH當(dāng)日的最大風(fēng)速和降水pH作相關(guān)分析，可反映沙塵與降水pH的關(guān)系。418個(gè)樣本中，降水pH與最大風(fēng)速的相關(guān)性為0.22，通過0.001的極顯著相關(guān)性檢驗(yàn)，說明最大風(fēng)速增大，降水pH趨于增大，反映為沙塵增多降水pH增大。

綜合以上分析認(rèn)為，沙塵天氣在一定程度上減弱降水的酸性，使降水pH增大，對(duì)酸雨的出現(xiàn)有抑制作用。

3.4.2 降水平均K值與沙塵天氣的關(guān)系圖4、圖5和圖6分別為民勤地區(qū)降水的年、月和季的平均K值與對(duì)應(yīng)時(shí)段沙塵日數(shù)的變化圖。由圖4可以看出，民勤降水年平均K值與年沙塵日數(shù)變化基本趨于一致，由于受樣本數(shù)的限制，有些年份達(dá)到測(cè)定降水K值的樣本中沒有1次出現(xiàn)沙塵天氣，對(duì)應(yīng)關(guān)系不好，計(jì)算兩者的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為-0.08，為負(fù)相關(guān)關(guān)系，由于沒有通過顯著性檢驗(yàn)，所以相關(guān)關(guān)系不可靠，但兩者的變化趨勢(shì)基本一致。從圖5可以看出，月平均K值與月沙塵日數(shù)變化基本趨于一致，計(jì)算兩者的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.24，為正相關(guān)關(guān)系，通過0.5的顯著性水平檢驗(yàn)，相關(guān)關(guān)系顯著。由于1、2、11、12月份降水天氣少，降水量小，且降水K值與降水量之間呈顯著的反相關(guān)（相關(guān)系數(shù)-0.31，通過0.001的顯著性水平檢驗(yàn)），所以降水K值與沙塵天氣對(duì)應(yīng)關(guān)系不好，11月份尤其明顯；3、4和5月是一年中沙塵天氣最多的季節(jié)，而降水較少，達(dá)到測(cè)定降水K值的樣本數(shù)有限，對(duì)應(yīng)關(guān)系也不好，但大的變化趨勢(shì)卻基本一致。從圖6可以看出，季平均K值與季沙塵日數(shù)變化趨于一致，計(jì)算兩者的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.35，為正相關(guān)關(guān)系，沒有通過0.5的相關(guān)性檢驗(yàn)，相關(guān)關(guān)系不顯著。

為進(jìn)一步說明降水K值與沙塵天氣的關(guān)系，分出現(xiàn)降水并測(cè)定降水K值的當(dāng)日或前一日出現(xiàn)沙塵天氣和沒出現(xiàn)沙塵天氣兩種情況統(tǒng)計(jì)計(jì)算平均K值，得出有沙塵天氣平均K值為72.2 μS/cm，無沙塵天氣平均K值為56.9 μS/cm，即有沙塵天氣出現(xiàn)降水測(cè)定的K值比無沙塵天氣出現(xiàn)降水測(cè)定的K值明顯偏大，說明沙塵天氣使降水的K值趨于增大。沙塵天氣強(qiáng)弱與風(fēng)速呈較高的正相關(guān)性，用風(fēng)速指標(biāo)來分析沙塵與降水K值的關(guān)系具有一定的說服力，且計(jì)算所有樣本間降水K值與最大風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)為0.18，通過0.001的顯著性水平檢驗(yàn)，說明沙塵天氣使降水K值趨于增大。

綜合以上分析認(rèn)為，沙塵天氣可污染降水，使降水導(dǎo)電性增強(qiáng)，K值增大。

4 小結(jié)

1）民勤地區(qū)1993—2012年共監(jiān)測(cè)到9次酸雨，其中1次為強(qiáng)酸雨，其它8次為弱酸雨。降水pH的變化幅度小，出現(xiàn)酸雨的頻率小，只有2.2%。年際間酸雨有增多增強(qiáng)的趨勢(shì)，季際間夏季出現(xiàn)酸雨最多，共出現(xiàn)4次，但由于夏季降水多，酸雨出現(xiàn)的頻率遠(yuǎn)低于只出現(xiàn)1次酸雨的冬季。

2）民勤地區(qū)降水pH和K值與沙塵天氣有一定的關(guān)系，沙塵天氣使降水pH趨于增大，在一定程度上減弱了酸雨的發(fā)生。沙塵天氣使降水K值趨于增大，說明降水可溶解沙塵中的離子，使降水的導(dǎo)電性增強(qiáng)。

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（本文責(zé)編：陳珩）

P426.65

A

1001-1463（2015）04-0026-04

10.3969/j.issn.1001-1463.2015.04.008

2014-07-28

王榮基（1967—），男，甘肅民勤人，工程師，主要從事天氣監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)及服務(wù)工作。聯(lián)系電話：（0）13195936983。E-mail：gsmqwrj@126.com