基于信息扩散理论的江苏省酸雨风险评估*

王伟丽，吴洪颜，贺金芳，朱双

(1.江苏省气象台，江苏南京210008;2.金坛市气象局，江苏金坛213200)

基于信息扩散理论的江苏省酸雨风险评估*

王伟丽1，吴洪颜1，贺金芳2，朱双1

(1.江苏省气象台，江苏南京210008;2.金坛市气象局，江苏金坛213200)

利用江苏省2008-2013年24个站的酸雨监测资料，分析出2008-2013年江苏省酸雨的强度和发生频率都有下降趋势，秋冬季酸雨发生频率高，夏季最低。基于信息扩散理论对全省酸雨进行风险评估，结果发现:年降水pH值和酸雨发生频率在不同风险水平分布特征较为一致，呈西北-东南逐渐增强趋势;年降水pH值80％的可能介于4.5～5.6之间，呈弱酸性;淮河以南地区酸雨发生频率的风险为40％的概率超过90％。

信息扩散理论;酸雨;风险评估;江苏省

酸雨作为经济社会发展的阶段性产物，对人类生活的影响不容忽视。1980年以来，随着城镇化和工业化加剧，能源需求大增，SO2和NOx的排放量逐年增加，使得我国酸雨出现区域发生明显变化，江苏也成为我国较严重的酸雨污染区［1-3］，尤其是苏南地区的酸雨发生频率一直居高不下。21世纪初，政府通过节能减排等一系列措施，使SO2排放得到有效控制，而源于机动车排放的NOx对酸雨的贡献却逐渐增大，酸雨污染形势依然严峻。目前，酸雨的科学研究多集中于机理形成、传输、数值模拟、防控方法以及生态影响等方面［4-9］。其中，以酸雨成因分析、生物影响模拟研究等最受关注，有关酸雨风险评估的研究则是空白，主要原因在于监测站点稀少，数据时间序列短，这严重制约着常规评估方法的准确性和可靠性。信息扩散作为模糊信息处理中一种不完备信息的优化方法［10］，先后被许多学者引入地震风险评估、水文预测、气象灾害风险评估、火险风险评估等多个领域［11-16］，体现出较好的科学应用效果。基于信息扩散理论的风险评估能够弥补小样本评估的缺陷，不需要其他参数，避免误差过大。本文使用江苏省现有24个酸雨监测站2008-2013年完整监测资料，基于信息扩散理论对江苏省酸雨进行风险评估，期望客观反映本区域酸雨分布状况，为酸雨防控减排提供理论依据。

1 资料来源和方法

1.1 资料来源

江苏省气象局现有酸雨监测站24个，均位于气象观测场内。开展的常规酸雨观测项目有:降水量、pH值和电导率K值。其中徐州、淮安、南京、常州等4站自1992年1月开始观测，射阳、赣榆自2006年7月开始观测，其余各站于2007年4月开始观测。本文所用酸雨资料为2008-2013年24个酸雨监测站的所有样本;1:25万基础地理信息数据来自于国家测绘局。

1.2 统计方法

根据中国气象局酸雨观测业务规范［17］，可采用降水体积加权平均计算年、季、月降水pH值和大气降水电导率(K值)。本文为描述不同降水pH值的年/季/月变化特征，对降水pH值进行分级处理，标准为:强酸性(pH＜4.5)、弱酸性(4.5≤pH＜5.6)以及非酸雨(pH≥5.6)。本文将使用年、月降水pH值、酸雨发生频率进行风险评估分析。

1.3 评估方法

为解决现有酸雨监测样本站稀疏、序列短等问题，采用信息扩散理论，对现有资料进行模糊扩散和插值映射，可实现有限数据向临近区域扩散的概率插值。该方法可将单值样本转换成集值样本，常用模型为正态扩散模型。

单值观测样本为:

设指标离散论域为:

式中:u1，u2为控制点。按照式(3)，一个观测样本yj可以将其所携带的信息扩散给ui中的所有点。

式中:h为扩散系数，可根据样本集合中样本的最大值b、最小值a和样本个数m来确定［18］。本文中h= 0.569 0(b-a)。

将观测样本yj变成一个以μyj(ui)为隶属函数的模糊集。令

相应的模糊子集隶属函数为:

对μyj(ui)处理:

式中:q(ui)为观测值为ui的样本个数，通常不是一个正整数，但一定是大于(等于)零的数。

再令

Q即为各ui点上的样本总和。

为样本点落在ui处的频率值，可以作为概率估计。

超越ui的概率:

式中:P(u＞ui)即为所求的风险估计值。

根据pH值的变化范围和酸雨发生频率的大小划分等级，取降水pH值的离散论域ui={0，4.0，4.5，5.0，5.6，7.0}，取酸雨发生频率的离散论域为ui={0，20，40，60，80，100}。按照式(3)、(4)、(5)进行计算，得出降水pH值和酸雨发生频率的归一化信息分布μyj(ui)，然后根据式(6)、(7)、(8)、(9)计算得出各风险水平降水pH值和酸雨发生频率的风险估计值。

2 结果与分析

2.1 降水pH值时空分布

计算2008-2013年江苏省年降水pH平均值发现(图1)，除泗洪外，其他各站pH值均低于5.6。淮北西部、沿淮东部和溧阳地区年降水pH值较高，在5.0以上;其他地区多在4.5～5.0之间，局部平均值小于4.5。通过对逐年降水平均pH值分析(图2)，可见年降水pH值呈上升态势，说明2008-2013年间，江苏省年降水的酸度有减弱趋势。

图1 江苏省2008-2013年平均降水pH值

图2 江苏省2008-2013年酸雨发生频率和降水pH值变化

2.2 酸雨发生频率时空分布

计算2008-2013年平均酸雨发生频率发现(图3)，沿江苏南地区酸雨发生频率要高于北部，达到60％以上，以苏州东山和南通吕泗的酸雨发生频率最高，超过80％;沿江以北地区酸雨发生频率略低，在60％以下，其中泗洪、邳州、阜宁、大丰的平均酸雨发生频率低于40％。从年际间变化看(图2)，自2009年起，全省平均酸雨发生频率呈下降趋势，在40％～70％之间。

图3 江苏省2008-2013年平均酸雨发生频率

图4 江苏省年降水pH值≥4.5和≥5.6的风险分布图

图5 江苏省年酸雨发生频率静态风险分布图

2.3 酸雨季节变化

酸雨发生范围和强度存在季节变化(表1)，就江苏而言，秋季是酸雨的高发季节，无论是降水的酸度还是酸雨发生的频率均高于其他季节。夏季与之相反，酸雨发生频率相对较低，降水pH值达到一年当中的最高，酸度最低。可见夏季雨日和雨量的增加对大气中酸性物质有冲刷降低作用。2.4酸雨风险评估

基于信息扩散理论，分别对江苏省24个酸雨监测站2008-2013年的酸雨发生频率和年降水pH值进行分析，计算出江苏省酸雨发生的风险估计值。利用ArcGIS，将计算结果制成风险分布图。

表1 江苏省2008-2013年平均酸雨发生频率和降水pH值

统计江苏各站近年年降水pH值发现，其值多在4.0以上，概率接近100％(图略)。图4中分别为年降水pH值≥4.5和≥5.6的风险估计值，当风险值大于4.5时，徐州北部、盐城以及常州等地发生概率最高，年降水pH≥4.5的可能性超过90％;苏州、南通、扬州以及灌云的可能性较小，在70％～80％之间;其他大部分地区介于80％～90％之间。当风险值大于5.6时，除淮北北部、沿淮东部以及溧阳的发生概率高过20％外，其他大部分地区年降水pH值超过5.6的可能性均在20％以下，表明江苏大部分地区年降水pH值低于5.6的可能性较高，在80％以上，降水偏酸。对比图4a、图4b，可见徐州北部、盐城以及溧阳等地均是降水pH值发生概率高值区，高pH值可能性大，降水酸度相对弱。

由图5中单个风险水平看，江苏酸雨年发生频率由西北向东南逐渐增加，苏南东部和南通地区酸雨发生频率超过80％的可能性在80％以上。以风险值40％(酸雨发生频率≥40％)为例，淮河以南地区酸雨发生频率最高，在90％以上，即该地区年酸雨发生频率大于40％的可能性超过90％，也可以粗略认为该区域每年酸雨发生频率都在40％以上;对于同等风险水平的沿淮地区，酸雨发生频率40％以上的可能性为60％～90％，平均1.3年出现一次;淮北地区基本上是2年一遇。

对比同一地区在不同风险水平下酸雨发生概率，发现苏南地区在不同风险水平下发生概率都最高，而徐州地区则一直保持最低。

3 结论与讨论

(1)2008-2013年，江苏省酸雨发生频率和强度均呈下降趋势;沿淮淮北地区酸雨发生频率低于淮河以南，降水pH值相对较高;秋季是酸雨的高发季节，无论是降水的酸度还是酸雨发生的频率均高于其他季节，夏季则最低。

(2)通过对年降水pH值的0、4.0、4.5、5.0、5.6、7.0等6个风险水平分析，发现江苏年降水pH值普遍在4.0以上，80％的可能介于4.5～5.6之间，年降水多呈弱酸性。从空间分布看，徐州北部、盐城以及常州的高pH值的可能性大，苏州、南通、扬州以及灌云的高pH值可能性最小，降水酸度相对强。

(3)对酸雨发生频率的0、20、40、60、80、100等6个风险水平分析，发现除徐州外，其他地区酸雨发生风险水平20％以上可能性超过90％，淮河以南地区酸雨发生频率超过40％的可能性在90％以上，苏州、南通地区酸雨发生频率在80％风险水平上发生的可能性也在80％以上。可见，江苏酸雨发生的风险水平呈西北至东南递增。

由于气象部门酸雨监测序列长短不一，全样本较少，传统的统计方法不能准确反映酸雨发生的风险规律。本文采用正态信息扩散法对江苏酸雨发生风险进行粗略估计，方法可行，结果与实际监测相符。当然，由于酸雨形成机理复杂和资料限制，仅采用pH值和酸雨发生频率进行风险评估，必然存在指标选择上的主观性，今后研究应综合考虑其它相关因子。

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The Disaster Risk Assessment of Acid Rain in Jiangsu Province Based on Information Diffusion Theory

Wang Weili1，Wu Hongyan1，He Jinfang2and Zhu Shuang1
(1．Jiangsu Provincial Meteorological Observatory，Nanjing 210008，China; 2．Jintan Meteorological Bureau，Jintan 213200，China)

Data of acid rain from 24 stations during 2008-2013 are used to analyze the trends of acid rain in Jiangsu Province.It is shown that the intensity and frequency of acid rain are decreasing within the recent6 years and the frequency is highest in autumn and winter and lowest in summer.The acid rain risk of the province is evaluated based on information diffusion theory.The results indicate that:the distribution characteristics between the pH value of precipitation and the frequency of acid rain is consistent in different level of risk and it increases gradually from Northwest to Southeast.The pH value of annual precipitation is between 3.8 and 4.5 with about80％ probability and it presentsweak acidity.There ismore than 90％probability that the acid rain is with 40％risk level in South of Huaihe River.

Information Diffusion Theory;acid rain;risk assessment;Jiangsu Province

P208;X4

A

1000-811X(2015)01-0092-05

10.3969/j.issn.1000-811X.2015.01.018

王伟丽，吴洪颜，贺金芳，等.基于信息扩散理论的江苏省酸雨风险评估［J］.灾害学，2015，30(1):92-95.［Wang Weili，Wu hongyan，He jinfang，et al.The Disaster Risk Assessment of Acid rain in Jiangsu Province Based on Information Diffusion Theory［J］.Journal of Catastrophology，2015，30(1):92-95.］

2014-07-02

2014-08-07

江苏省自然科学基金“江苏省酸雨污染的监测、分析及对主要农作物(大豆)生产的影响与防治关键技术研究”(BE2012747)

王伟丽(1975-)，女，江苏淮安人，工程师，主要从事应用气象领域科研工作.E-mail:405336177@qq.com

吴洪颜(1971-)，女，吉林桦甸人，高级工程师，主要从事应用气象领域科研工作.E-mail:jsqx_zqzb@126.com