济南酸雨变化特征分析

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　　摘 要：利用济南龟山国家基本气象站2009—2018年的10a年酸雨气象观测资料统计数据，分析阐述了近10a酸雨的年、月变化特征、pH和频率的关系。前5a的pH偏低，后5a的pH逐渐上升，说明出现酸雨的降水天气逐渐降低。pH月平均最大值出现在6月，最小值出现在2月。pH与频率在年变化和月变化中均呈明显的负相关。
　　关键词：酸雨；pH值；频率
　　中图分类号：S16 文献标识码：A
　　DOI：10.19754/j.nyyjs.20190515058
　　引言
　　酸雨是指pH<5.60的大气降水（降水包括液态降水、固态降水和混合降水）。在降水过程中溶解了空气中的二氧化硫、二氧化碳、氮氧化物等，从而形成了pH<5.60的酸性降水。酸雨对土壤、建筑物和人體健康等危害程度较大，如：土壤的长期酸化会造成植物中毒，甚至死亡；酸雨可以导致建筑材料强度降低损坏建筑物；酸雨可使人体免疫力下降，极易造成呼吸道、眼部等疾病发生。十多年来由于二氧化硫、二氧化碳、氮氧化物的排放量日渐增多，问题较为突出。利用济南（龟山）国家基本气象观测站2009—2018年酸雨（pH值）观测资料进行了分析，以期找到并提供防治酸雨对大气环境造成污染的科学依据。
　　济南（龟山）国家基本气象观测站，位于济南南郊十六里河万寿路东首龟山山顶，N36°36′、E117°00′，海拔高度107.3m。地处鲁中南低山丘陵与鲁西北冲积平原的交接带上，地势南高北低。属于暖温带大陆性季风气候，日照充分四季分明，年平均气温13.6℃，1月份最低平均气温-1.9℃，7月份最高平均气温27.0℃，年平均降水量650～700mm。
　　1 资料和方法
　　本文所用资料为济南（龟山）国家基本气象站2009—2018年的酸雨观测资料。
　　1.1 采样
　　降水样品的采集工作包括降水采样桶的准备、取用、安放、采样、取回等步骤。
　　安放和取回采样桶时，不得用手和其他物品接触采样桶的内壁和降水样品，以防污染降水样品影响测量结果，为避免在安放、收取采样桶时其它物品意外落入采样桶内，造成降水样品污染，操作人员应该在下风方向打开或盖上采样桶盖。
　　每日北京时间08：00为酸雨观测降水采样的日界，当日08：00一次日08：00为1个降水采样日。在1个降水采样日内，无论降水是否有间隔及间隔长短，降水量达到1.0mm时，必须采集1个日降水样品；降水量不足1.0mm时，弃样不测。1个降水采样日的1次连续降水过程，只采样1次；若1个降水采样日内有数次降水过程，则进行多次采样，并将其合并为1个降水样品。
　　1.2 pH、频率
　　酸雨是指pH<5.6的大气降水。空气中主要是由21%氧气、78%氮气、0.037%二氧化碳、水汽和其它惰性气体组成。在大气中，二氧化碳易溶解于水，形成碳酸。
　　CO2+H2O=H2C03M（碳酸）碳酸是弱酸，在水中分2步发生电离：
　　H2CO3=H++HCO-3 HCO- 3=H++CO23-
　　根据二氧化碳在大气中的浓度和常温下在水中的溶解度，可以计算出洁净降水中氢离子的浓度，并由此得出其pH 5.6。在未受人类活动影响得偏远地区，自然降水的pH一般多在5.00～5.20左右，因为除了二氧化碳以外，自然大气中还存在一些其它酸性物质，可使降水进一步酸化，故以pH<5.6作为酸雨的标准。
　　pH<5.6的出现频率，取降水pH<5.6（不含5.6）的次数，按照下列公式计算pH的出现频率，即：
　　F[<5.6]= （N[<5.6]/N总）×100%
　　式中，F[<5.6] 为pH<5.6的频率，N[<5.6] 为pH低于5.6的次数，N总为当月进行的pH观测次数。
　　2 结果与分析
　　2.1 成因
　　济南大气污染排放总体分为：11个工业园和5个工业集聚区，且分布着本市主要的钢铁、石化等企业，耗能高、面广、污染排放点等，空气经过厂区后二氧化硫等会产生污染源；机动车辆保有量近160万辆，主要集中于市区，也是污染源之一；地形地貌、城市化建设等都是会造成酸雨的原因。
　　2.2 酸雨的年变化特征
　　2.2.1 pH值的年变化特征
　　由图1可知，年平均最大pH 6.75，出现在2015年；年平均最小值是5.61，出现在2011年；2009—2013年pH变化范围在5.61～5.77之间，变化幅度较小；2014—2018年pH变化范围在6.15～6.75之间，处在较高位置。由此可以看出前5a的pH偏低，后5a的pH逐渐上升，说明出现酸雨的降水天气逐渐降低。
　　2.2.2 频率的年变化特征
　　最大值是55%，出现在2012年；最小值是0%，分别出现在2015年、2016年、2017年。2009—2012年酸雨的出现频率为上升趋势，且值较高；2013—2017年酸雨的出现频率处为下降趋势，值较低；2018年略有回升。济南属于弱酸地区，2015—2018年酸雨出现频率仅0%～9%，酸雨污染大为减轻。这是由于济南市污染排放政策的事实和脱硫技术措施的提高，使得SO2污染控制区内酸性污染气体排放减少所引起。
　　2.2.3 pH值和频率具有明显的负相关
　　2009—2013年pH相对偏低，酸雨的出现频率相对较高；2014—2018年pH相对偏高，酸雨的出现频率相对较低。
　　2.3 酸雨的月变化特征
　　2.3.1 pH的月变化特征
　　由图2可知，1—12月份月平均pH，在5.83～6.15之间，平均pH>5.60。月平均最大pH为6.15，出现在6月份；月平均最小pH为5.83，出现在2月份。 　　2.3.2 频率的月变化特征
　　由图2可知，1—12月份酸雨月平均出现频率变化范围为0%～40%；月最多出现频率为40%，分别出现在5月、8月份；最少出现频率为0%，出现在12月份；1—3月份酸雨出现频率为相对低值时段。从气象条件看，济南随着风环流的建立，降水充沛时使空气中致酸物质的湿沉降作用明显，导致降水pH值相对较高，酸雨的出现频率相对较低，反之较高。
　　2.3.3 酸雨pH值和出现频率呈负相关
　　从1—12月酸雨pH值的变化范围与1—12月酸雨出现频率的数据对比分析可以看出负相关明显，如5月、8月、11月份的平均pH为相对低值，而酸雨的出现频率为相对高值。4月、6月、7月、9月、10月、12月的pH值为相对高值，而酸雨的出现频率位相对低值。
　　3 结论
　　利用济南龟山国家基本气象站2009—2018年酸雨观测月报表资料，统计分析了酸雨月、年平均pH、酸雨出现频率的变化特征和趋势，得出了以下结果。
　　3.1 年变化特征
　　年平均最大pH 6.75，出现在2015年；年平均最小值是5.61，出现在2011年。2009—2013年pH处在低位，且变化幅度较小；2014—2018年pH处在高位。由此可以说明出现酸雨的降水天气逐渐降低。
　　酸雨频率最大值是55%，出现在2012年；最小值是0%，分别出现在2015年、2016年、2017年。2009—2012年酸雨的出现频率为上升趋势，且值较高；2013—2017年酸雨的出现频率处为下降趋势，值较低；2018年略有回升。
　　3.2 月变化特征
　　月平均pH在5.83～6.15之间，月平均最大pH为6.15，出现在6月份；月平均最小pH为5.83，出现在2月份。
　　月平均出现频率变化范围为0%～40%；月最多出现频率为40%，分别出现在5月、8月份；最少出现频率为0%，出现在12月份。
　　3.3 pH与频率的关系
　　济南市酸雨的pH与出现频率，在年变化和月变化中均呈明显的负相关。
　　3.4 建议
　　2010年国家“十一五规划”的有效落实，减少了二氧化硫等污染物的排放量，有效遏制了酸雨的出现频率，但酸雨危害依旧存在不可掉以轻心。
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