济南市近年酸雨特征及其影响因素

杨何著

1.南京大学大气科学学院中尺度灾害性天气教育部重点实验室，江苏南京210093

2.山东省气象局，山东济南250031

济南市近年酸雨特征及其影响因素

杨何著1，2

1.南京大学大气科学学院中尺度灾害性天气教育部重点实验室，江苏南京210093

2.山东省气象局，山东济南250031

根据2008～2012年济南市酸雨观测资料、探空资料和大气监测资料，分析了济南市酸雨的年、季变化特征，同时研究了酸性降水与气象条件和大气污染物的关系。统计资料证明：近5年济南市的酸雨无论从频率还是从强度上都呈现减弱趋势。降水pH值秋季最低，夏季最高；酸雨频率秋季最高，冬季最低。分析得出，影响济南市酸雨的主要大气污染物是PM10和SO2；在偏东风影响下，酸雨污染严重；酸雨的发生也会受逆温影响，降水前1 d及当天均出现逆温时，酸雨出现频率最高；随着降水量的增加，pH值逐渐降低，中雨时酸雨频率最高；另外，雾和轻雾也容易导致酸雨的发生。

酸雨；pH值；酸雨频率；影响因素

酸雨是指pH值小于5.6的雨雪或其他形式的降水。雨、雪等在形成和降落过程中，吸收并溶解了空气中的二氧化硫、氮氧化物等物质，形成了酸雨。目前我国北方酸雨区主要分布在京津冀、河南和山东省的部分地区［1］，山东除枣庄以外的其它城市都不同程度存在酸雨［2］。济南山东省省会，位于山东省中西部，北接京津冀，南连长三角，而且是环渤海经济圈的组成部分，是全国重要工业基地，有钢铁、石化等大型企业。济南市汽车保有量巨大，近几年来，汽车增长率在每年20%以上。工业污染加重，汽车尾气排放量的日益增加，加之秋冬季燃煤量大，使济南的酸雨危害不可小视。有学者研究表明，济南的酸雨在2006到2008年间明显增强［3］，2008年酸雨频率达到近几年的最高值。但随着政府实施二氧化硫、氮氧化物等污染物排放总量控制和2009年十一届全运会的召开，近年来济南酸雨正朝着减缓的趋势发展。本文根据济南市酸雨观测资料和环保部门的大气污染物监测资料，探讨和分析2008到2012年济南酸雨的影响因素和发展变化情况。

1 材料与方法

1.1 酸雨观测资料

本文所用酸雨资料为2008年1月至2012年12月济南市酸雨观测站5年间的292个降水样本，济南市酸雨观测站位于济南市南郊十六里河龟山，具体位置为36。36，N，117。00，E，海拔高度为170.3 m，该站从2002年11月起进行酸雨观测。降水采样以当日08：00至次日08：00为一个采样日界，pH值的测量使用pH计。在一个降水采样日内，降水量达到1.0 mm或以上，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个日降水样品。对降水酸度数据处理，采用雨量加权平均值，酸雨的临界指标按如下区间划分［4］：pH＜4.0强酸性降水；4.0≤pH＜4.5较强酸性降水；4.5≤pH＜5.6弱酸性降水。

1.2 探空资料

逆温层资料是利用济南市章丘探空站逐日观测的08时和20时探空资料处理而得到大气逆温层顶部和底部的温度、高度等资料。

1.3 大气成分资料

大气污染物浓度（PM10、SO2、NO2）资料为济南市环境监测站8个监测点（科干所、农科所、开发区、济南化工厂、省种子仓库、机床二厂、市监测站、长清党校）的观测数据（取8站平均值），在数据质量控制的基础上处理成日平均浓度值。

2 结果与讨论

2.1 酸雨的变化特征

2.1.1 酸雨的年际变化在2008～2012年的292个降水样本中，pH值小于5.6的酸性样本95个，占32.5%，非酸性降水样本197个，占67.5%。

由图1可见，5年间，各年出现酸雨次数为30次、11次、18次、20次、16次，酸雨频率分别为50%，17.7%，32.1%，32.8%，30.2%。强酸性降水仅出现了1次，占降水样本的0.3%，pH值为3.97，出现在2010年8月16日；较强酸性降水出现了3次，占降水样本的1.0%，pH值分别为4.41、4.33和4.44，分别出现在2010年8月11日，2010年8月26日和2011年11月3日；弱酸性降水占降水样本的30.1%。由图可见，酸雨频率的线性趋势呈下降趋势，表明2008～2012年酸雨频率逐年降低。

图1 2008～2012年济南市不同酸度酸雨频率变化趋势Fig.1 The tendency of changes in acid rain frequencies at different acidity grades in Jinan from 2008 to 2012

图2 2008～2012年济南市降水平均pH值、年最低pH值变化趋势Fig.2 The tendency of the average pH value and the lowest pH value from 2008 to 2012

由图2可以看出，2008～2012年降水样本年均pH值分别为5.53、5.95、5.72、5.71、5.74，平均pH值为5.73，酸雨样本平均pH值为5.20，年最低pH值在4.33到5.02之间变化，降水年均pH值趋势线系数为0.018，年最低pH值趋势线系数为0.044，可见两条曲线都呈上升趋势。总的来说，5年内济南市的酸雨无论从频率还是从酸度都呈现减弱趋势。值得注意的是，2009年的酸雨频率是5年内最低值，而pH值是5年内最高值，这是因为济南是2009年十一届全运会的主会场，为了给赛事举办营造一个良好的环境，市政府开展了一系列大气污染环境治理工作，这对2009年酸雨的减弱起着至关重要的作用。

2.1.2 酸雨的年内变化根据济南市的气候特点，以3～5月、6～8月、9～11月、12至次年2月分别表示春、夏、秋、冬四季。酸雨在各月、各季的变化如表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）济南市的酸雨呈明显的季节性分布，从平均pH值分布来看，秋季降水pH值最小，为5.56，其中11月最小，仅为5.40，酸度最强；夏季降水的酸度最弱，pH值为5.83，6月最高，为6.02。

（2）从酸雨出现的频率来看，秋季的酸雨频率最大，达到56.1%，特别是11月，酸雨频率达到75%；夏冬两季酸雨频率较小，分别为22.4%和21.4%。

这种现象的出现，主要是因为济南是北方城市，土壤和沙粒偏碱性，这些碱性物质会缓冲大气中的酸性物质［5］。因此，济南冬、春季虽然沙尘天气较多，但酸雨频率并不高，酸度也不强。夏季污染物浓度最低［6］，污染源少，大气对流发展强烈，易于污染物的扩散［7］，且夏季多雨，对污染物能起冲刷作用。

2.2 气象条件及污染物对酸雨的影响

气象条件对酸雨形成的影响主要表现在两个方面：在大气物理方面影响着酸性物质的清除、扩散和输送过程，在化学方面影响着酸雨前体物的转化速率［8］。济南市酸雨中的酸性物质主要源于大气中的可吸入颗粒物（PM10）、SO2、NO2等等，这些大气污染物可由自然源放射，但主要来源于人类的生产、生活活动。在相同源强条件下，气象条件的不同可引起酸雨强度分布不同。

2.2.1 酸雨与大气污染物浓度的关系我国降水化学组成仍属硫酸型，但正在向硫酸-硝酸混合型转变，主要是因为工业上SO2和NO2等本性物质的排放，此外，各种机动车排放的尾气中富含NOX，使酸雨中NO3-浓度逐步增大［1］。上世纪90年代普查结果发现，我国降水成分中硫酸根成分大约是硝酸根的4～10倍，山东为3～6倍，2007年至2009年的酸雨普查结果表明，全国酸雨成分中硫酸根与硝酸根的比值已降至2～6倍，山东降至2～3倍，山东的酸雨成分已从“硫酸型”转变为“硫酸硝酸混合型”。近年来，PM10成为公众关注的重点，它在环境空气中持续的时间很长，对人体健康和大气能见度影响都很大。一些颗粒物来自污染源的直接排放，比如烟囱与车辆。另一些则是由环境空气中硫的氧化物、氮氧化物、挥发性有机化合物及其它化合物互相作用形成的细小颗粒物。大气中的污染物是导致济南市酸性降水的重要成因，污染物的浓度也是决定酸性降水强度的一个重要指标。

图3 2008～2012年PM10、SO2、NO2年平均浓度变化趋势Fig.3 The tendency of PM10concentration，SO2concentration and NO2concentration from 2008 to 2012

图4 2011年9～11月酸雨pH值与PM10、SO2、NO2的变化关系Fig.4 The relationship between the pH value，PM10concentration，SO2concentration and NO2concentration from Sep.to Nov.in 2011

由图3中pH值的线性趋势线可见，5年间降水的pH值总体呈上升趋势，PM10的浓度总体呈逐年递减的趋势，SO2的浓度变化幅度较小，NO2的浓度呈逐年上升的趋势。说明近年来，NO2对济南降水酸度的贡献较差，济南酸雨的重要前提物是PM10，PM10的浓度却在降水酸度中发挥了主要作用。

魏玉香研究发现，PM10的污染分指数最大，是环境空气首要污染物［6］。蒲维维指出，空气中的气溶胶不但不能起到中和酸雨的作用，其中的酸性成分还可能对降水酸性的增强有较大贡献［9］。统计2011年9～11月酸雨pH值与PM10、SO2、NO2浓度，其相关系数分别为-0.86，-0.7和-0.37，其中pH值与PM10的相关系数通过了置信度为0.01的显著性检验，pH值与SO2的相关系数通过了置信度为0.05的显著性检验，pH值与NO2的相关系数未通过显著性检验。上述结果说明，pH值与PM10和SO2具有较好的相关性，济南市酸性降水的主要大气污染物是PM10和SO2，其次是NO2。大气污染越重，酸雨越强，这在北京等地都出现了相同的规律［9］。

2.2.2 酸雨与风向、风速的关系风是影响污染物扩散的重要动力因子，风向决定污染物扩散的方位，风速则表征污染物扩散能力［10］。选取95个酸性样本的风向进行分析，每个酸性样本取每日14时、20时、02时、08时四个风向作为主导风向，统计出酸雨时的风向频率。由图5可见，当NE、E、SE风向时，酸雨发生的几率是最大的，说明济南市出现偏东风时更容易形成酸雨。静风时的酸雨频率为0.5%，W风向到S风向时的酸雨频率也都在2.5%左右，可见济南市的酸雨与外地污染物有很大关联。

东北风、东风或东南风时降水的酸度高是由济南市所处的地理位置造成的。济南东部除了有污染较严重的济钢、炼油厂等企业，从东北到东南还有工业迅速发展的东营、淄博、潍坊、莱芜等市，这些城市几乎都以石油化工、钢铁、纺织、建材、冶金为主要工业产业。《山东省2013～2020年大气污染防治规划》中的数据表明，2010年，工业烟粉尘的排放量，莱芜为8万吨，淄博为7万吨，潍坊近4万吨，挥发性有机物的排放量，潍坊27万吨，淄博为12万吨，东营近8万吨，均居全省前列。当吹偏东风时，这些城市的致酸物质就随风输送到济南上空，所释放的硫化物和氮氧化物在空中成为云凝结核，吸收水汽成为云滴，经云雨过程形成雨滴落下而成为酸雨。

图5 济南酸雨发生期间的盛行风向Fig.5 Prevailing wind direction during acid rain in Jinan

图6 济南市2008、2012年各月平均风速和酸雨频率的变化关系Fig.6 The relationship between the average speed of the winds and the frequency of acid rain at Jinan in 2008 and 2012

风速对酸雨的发生也有影响，风速越大，单位时间内污染物被输送得越远，混入的空气越多，污染物的浓度越低，这也反映了风对污染物水平输送的同时也有稀释和冲淡的作用［11］。程相坤指出，风速与酸雨的负相关关系说明本地污染源在酸雨形成中占有较大比重［12］。由图6可见，2012年济南市风速与酸雨频率反相关对应关系较2008年差，说明外地污染源在济南酸雨形成中越来越占有较大比重。

2.2.3 逆温对酸雨的影响一般而言，如果降水前大气层结比较稳定，就常伴有逆温出现，使低层大气污染物难以向上扩散，在局部形成污染物堆积，一旦降水出现，在云下“冲刷”作用下降水酸度将发生明显变化［13］。

在95个酸雨样本中，降水前或降水时伴有逆温状况的样本有66个，占全部酸雨样本的69.5%。在66个样本中，降水前1 d出现逆温的酸雨样本数为21个，降水当天出现逆温的酸雨样本数为9个，降水前1 d及当天均发生逆温的酸雨样本数为36个，从以上数据看出，降水前1 d及当天均发生逆温时，酸雨样本数最多。这是由于在连续逆温条件下，边界层内大气污染物的扩散能力弱，大量的PM10、SO2、NO2等污染物被抑制在逆温层内，形成有利于降水酸化的大气条件。统计表明，济南秋季逆温日数最多，且逆温温差较大，逆温比较明显，5年内连续两天及以上发生逆温的次数以秋季最多，由此可见，秋季大气低层垂直对流活动相对比较弱，有利于逆温形成，抑制大气低层的污染物的水平和垂直方向的扩散。所以，济南秋季的逆温是造成济南秋季酸雨严重的原因之一。

2.2.4 酸雨与降水量和雾的关系由图7可见，随着降水量的增加，酸雨频率出现波动状态，中雨时酸雨频率最高，为35.6%，大雨时最低，为28%，暴雨及以上时酸雨频率稳定维持。而对于pH值而言是呈逐渐降低的趋势，从小雨到暴雨，pH值一路走低。

从292个降水样本中选取了71次连续降水样本，这些样本都满足降水开始结束时间出现在两天，或是降水持续时间超过24 h分为多次测量。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，高出率为69.2%，由此可见，降水初期的pH值普遍比较大。

图7 降水量、降水pH值与酸雨频率的变化关系Fig.7 The relationship between precipitation，pH value and the frequency of acid rain

雾形成的天气条件是低层风速小，湿度较大，大气稳定，大气中的污染物不宜扩散，加之水汽充沛，一旦降水很容易形成酸雨［14］。统计分析95个酸雨样本，其中雾或轻雾样本达73个，占到76.8%。在292个降水样本中观测到17次雾天，平均pH值为5.69，最小值为4.41，最大值为6.40，在17次雾天中，7次出现了酸雨，酸雨频率为41.2%。

3 结论

（1）2008到2012年间，济南的酸雨频率为32.5%，降水样本的平均pH值为5.73，酸雨样本平均pH值为5.20，5年内济南市的酸雨无论从频率还是从酸度都呈现减弱趋势。

（2）从季节分布来看，秋季酸雨频率最大，冬季酸雨频率最小；秋季降水pH值最低，夏季降水pH值最高，其中11月降水酸度最强，6月最弱。

（3）济南市降水pH值与PM10和SO2具有较好的相关性，影响济南市酸雨的主要大气污染物是PM10和SO2。

（4）酸雨发生时出现偏东风的几率更大，说明偏东气流对外地污染物的输送与济南酸雨形成关联性较大。

（5）降水前或降水时常伴有逆温发生，降水前1 d及当天均出现逆温状况时，酸雨出现频率最高。秋季逆温日数最多，温差较大，逆温比较明显。

（6）随着降水量的增加，pH值逐渐降低，中雨时酸雨频率最高，大雨时最低。雾和轻雾也对酸雨有一定影响。

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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

杨何著（1983-），女，汉族，陕西汉中人，助理工程师，主要从事大气环境等方面的研究.E-mail：sdjzcyhz@foxmail.com