兰州市1993―酸雨变化特征及影响因素分析

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摘要：利用兰州市1993～2004年的酸雨监测资料和其他气象资料，对兰州市酸雨特征及其影响因素进行分析。结果表明：1993～2004年兰州市酸雨发生频率呈递减趋势，降水的pH呈增加趋势，1996和2000年各发生强酸酸雨1次，2000年酸雨发生频率最高，为26.79%。在夏季降水次数最多，酸雨和强酸雨发生频率也最大，分别为0.69%和11.42%。一年中酸雨的发生为48次，主要集中在4～8月。一年中酸雨的发生频率由夏到冬呈现递减趋势，降水的平均pH和酸雨发生频率与降水量呈现一定的相关性。

关键词：兰州市；酸雨；pH；气象要素

中图分类号：S 161.6 文献标识码：A 文章编号：10095500（2013）01005906

酸雨是指pH小于5.6的雨水、冻雨、雪、雹、露等大气降水＼[1＼]。通常认为，人类活动排放的硫氧化物和氮氧化物在大气环境中经过各种氧化还原反应生成的H2SO4和HNO3是导致降水酸化的致酸污染物＼[2＼]。这些污染物经过复杂的大气化学反应，被雨水吸收溶解就形成了酸雨。此外，各种机动车排放的尾气也是形成酸雨的重要原因。从20世纪50年代开始，美国东北部、西欧和北欧陆续发现酸雨增多的现象＼[3＼]。随着经济的迅速发展，我国酸雨问题日益突出。从20世纪70年代末起，中国南方地区出现酸雨，降水酸性逐渐增强，逐步演变为东亚酸雨区的一部分，在经历了80年代的急剧发展后，从90年代中期开始中国的酸雨污染范围趋向稳定＼[4-8＼]。目前，我国与日本已成为继北欧、北美后的世界第3大酸雨区，酸雨在我国覆盖面积已占国土面积的30%以上＼[3＼]。酸雨对人体健康、生态系统和建筑设施都有直接和潜在的危害。

兰州作为我国西北的一个重工业城市，是西北地区重要的经济、政治、文化和商贸中心之一，也是西北地区的交通枢纽。在西部大开发政策的推动下，兰州市近些年工业化和城市化过程也有了很大的提高，而这些过程有可能使得空气污染加重，形成酸雨的可能性增大。因此，酸雨污染应受到各级部门的重视。

选取1993～2004年兰州市的降水资料，通过12年兰州降水酸度的变化趋势特征，以及影响酸雨变化趋势的可能因素进行分析和讨论，旨在为今后开展酸雨研究工作提供客观依据。

1 研究区域及研究方法

1.1 研究区概况

兰州市地处中国版图的几何中心，地理位置为E102°30′～104°30′、N35°5′～38°，包括城关区、七里河区、西固区、安宁区和红古区五区，属中温带大陆性气候。平均海拔1 520 m，年平均降水量250～350 mm，并集中分布在6～9月。年平均气温9.1 ℃＼[9，10＼]。市区南北群山环抱，具有带状盆地城市的特征，不利于气流的交换，因而各种硫氧化物和氮氧化物不易扩散，易随雨水一起降至地面形成酸雨。

1.2 数据来源与处理方法

选取1993～2004年兰州市的酸雨监测资料（国家气象局气候资料室提供），通过分析各年、月、季降水次数、酸雨的发生次数及频率、强酸雨的发生次数及频率，探讨兰州市降水pH变化的影响因素。

目前，中国气象局在酸雨监测服务中采用的标准是降水pHpH>4.5为弱酸雨，pH>5.6为非酸雨＼[11＼]。酸雨出现率为pH

2 结果与分析

2.1 年际变化

兰州市1993～2004年酸雨的年际变化表明，1993～2004年兰州市有效降水共为631次，其中强酸雨发生4次，酸雨发生53次，强酸雨发生频率为0.63%，酸雨发生频率为8.40%。在此12年中1996年和2000年各发生强酸雨2次，其余年间均未发生过强酸雨。1996年强酸雨发生频率为3%，酸雨发生频率为9.1%；2000年的强酸雨发生频率为3.57%，酸雨发生频率最大，为26.79%。12年中兰州市降水年平均pH最小值出现在2000年，pH为5.10，年均pH最大值出现在2001年，pH为6.78（表1）。

1993～2004年兰州市降水的pH呈现波动上升趋势，说明兰州市酸雨污染状况有所改善。

1995年之前，兰州市酸雨发生率较高，在10%以上，从1995～1998年酸雨发生率呈现降低趋势，而1999～2000年酸雨发生率又呈增高趋势，2000年酸雨发生率最高，2001年没有发生酸雨，而从2001～2004年酸雨发生率又呈现增高趋势，但在10%以下。

降水平均pH和酸雨发生率相关性分析发现，降水平均pH和酸雨发生率之间呈显著的负相关性（r=-8.28，P

2.2 季节变化

1993～2004年共12年，春季和秋季降水次数基本相同，分别为156次和153次，夏季降水次数最多，为289次，冬季降水次数较少，为33次。春季和秋季的强酸雨发生频率也基本相同，分别为0.64%和0.65%，而秋季酸雨发生次数为春季发生次数的2倍，酸雨发生频率为春季的2.04倍。夏季的酸雨和强酸雨发生频率也最大，分别为0.69%和11.42%，冬季没有发生强酸雨，酸雨发生频率为6.06%（表2）。

2.3 月变化

对降水的发生次数进行逐月统计发现，一年中降水主要集中在4～10月，1993～2004年发生547次，占全年降水次数的86.69%。在4月、7～8月和10月各发生强酸雨1次，发生频率分别为1.92%、0.88%、1.06%、1.89%，其余各月均未发生强酸雨。酸雨也主要集中在4～10月，发生次数为48次，占全年酸雨发生次数的90.57%。一年中，除3月和12月外，各月均发生酸雨，酸雨发生频率在0%～15.79%之间。11月的酸雨发生频率最高，为15.79%，6～8月的酸雨发生次数较多，但由于降水次数也较多，所以酸雨发生频率低于11月（表3）。

对降水次数和酸雨发生频率进行相关性分析发现，降水次数和酸雨发生频率呈显著的正相关性（r=0.868，P

2.4 不同雨量等级下酸雨的变化

降水强度与酸雨的形成关系密切。雨量按其大小可以分为4个等级：小雨，R

12年中下大雨时兰州市最容易发生酸雨，酸雨发生频率为23.53%，而此时的强酸雨发生频率也最高，达11.76%（表4）。

2.5 降水的平均pH和酸雨发生频率与外界因素的关系

2.5.1 风速的影响 1993～2004年兰州市的平均风速呈递减趋势，酸雨发生频率也呈递减趋势，而在此期间降水的pH呈现递增趋势，酸雨发生频率随风速的减小而减小，而降水的pH随着风速的减小而增大（图1）。对酸雨的发生频率和降水的pH与风速进行相关性分析发现，酸雨发生频率与风速间的相关性未达到显著水平（r=0.132，P=0.683），降水的平均pH和风速间的相关性也未达到显著水平（r=-0.475，P=0.119）。

2.5.2 降水量的影响 在1993～2004年，兰州市的降水量呈减小趋势，酸雨的发生频率也呈减小趋势，而降水的平均pH呈递增趋势，酸雨的发生频率随降水量的减小而减小，而降水的平均pH随着降水量的减小而增加（图2）。对酸雨的pH和降水量进行相关性分析发现，酸雨的pH和降水量呈极显著的负相关（r=-0.192，P

3 讨论

酸雨现象是大气化学和物理过程的综合效应，也是诸多自然和人为因素综合作用的结果。从酸雨形成机理来看，致酸前体物的大量排放是酸雨形成的根本原因。大气中的SO2和NOX等经氧化后溶于水形成硫酸、硝酸和亚硝酸等，导致降水pH降低，同时，大气中存在的碱性气体和碱性颗粒物等碱性物质则会对降水的pH产生相反的影响。酸性物质进入到降水中包括云中淋洗和云下冲刷两个过程。本地区排放的致酸前体物在一定的地形和气温、风速、降水等气象条件下，通过云下致酸作用生成酸性物质，从而造成局地性的酸雨污染；而通过云中致酸作用产生的酸化云水在一定气象条件下可发生长距离传输造成区域性的酸雨污染＼[14＼]。

兰州市1993～2004年发生酸雨次数较多。这是因为兰州市过去以煤为主要能源，居民燃煤过程中所排放的SO2为造成大气酸化的主要原因。但兰州市的酸雨发生频率明显低于南方地区（如南昌市2006～2007年酸雨发生频率为88%～97%＼[15＼]），主要原因是北方的土壤多呈碱性，大气中飘浮的碱性颗粒对降水中的酸性成分起到了很强的中和作用＼[16＼]，蒲小鹏等＼[17＼]对兰州市五泉山公园古树根际土壤研究，发现土壤呈碱性，碱性浮尘使酸雨的发生频率大为降低。1993～2004年兰州市年平均降水的pH逐年上升，年平均酸雨发生频率逐年下降，说明酸雨状况有所改善。

一年当中，夏、秋季酸雨发生的频率高于冬、春季，且呈现由夏到冬递减的趋势。这主要是因为夏、秋气温高、空气湿度大、大气通风量和扩散距离小，且太阳光和水蒸气浓度易使SO2转化形成硫酸在局地沉降。

风速大小不但决定着当地大气污染物对外扩散速度，同时也预示着当地受上游污染源污染影响的程度。只有当致酸污染物的输入量小于输出量时，风速对当地的降水酸度降低才起缓冲作用＼[18＼]，反之，当地的降水酸度将升高。兰州市的酸雨发生频率随风速的减小而减小，而降水的pH随着风速的减小而增大。酸雨发生频率和降水的平均pH与风速有一定的相关性，但未达到显著水平（P>0.05）。吴珂等＼[19＼]对昆山市的酸雨变化特征分析，发现风速与pH大小呈极显著地正相关性，与本研究结论相反，这可能是因为兰州市的致酸污染物有很大一部分由市郊的化工企业产生，风速减小，将致酸污染物带到市区的能力也减小。

降水量的大小直接影响雨水对大气中气溶胶及酸性物质冲刷作用的强弱＼[19＼]。随着降水量的增加，云下大气颗粒物逐渐减少，降水中的离子由云中和云下作用转为云中起主导作用，酸雨频率增加＼[20＼]。研究发现，酸雨的发生频率随降水量的减小而减小，而降水的平均pH值随着降水量的减小而增加。

各地酸雨特征差异较大，成因复杂，不仅与气象条件有关，还与当地的地形地貌、污染源头等有密切的关系＼[21＼]。兰州市东西长，南北窄，夹于南北两山之间。由于温差大、降水量少，易产生自然降尘和二次扬尘；并且风速小，静风天气多，自然通风条件不好。特殊的地理环境和气象条件不利于大气污染物的输送、稀释和扩散。因此，只有从源头控制，才能有效减少兰州市的酸雨污染。

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