福州市酸性降水现状研究

中国环境学会  2011年 03月31日


  赵卫红 (福建省环境监测中心站  福州  350003)
   (联系电话:13799372976      通信地址:福州环保路8号)
   
  摘  要  以近年来降水监测数据为基础,对福州市酸性降水的变化趋势和区域分布特征进行分析,并从环境空气质量、致酸污染物及气象条件等方面探讨了酸性降水的主要影响因素,认为福州市降水出现一定酸化,春季降水酸化较严重,福州市降水中主要阴离子为硫酸根,酸雨为硫酸型,但近年来硝酸根对酸性降水的贡献较大,酸雨污染逐步从硫酸型向硫酸硝酸混合型转变。
  关键词  酸性降水  变化趋势  分布特征
   
  福州市是福建省政治、经济、科教和文化中心,位于我国东南沿海,属于国家酸雨控制区。80年代初建立了降水常规监测网,对酸雨进行较全面的监测。福州市属于二氧化硫低排放区,环境空气质量较好,二氧化硫二氧化氮和可吸入颗粒物年均值均达到国家环境空气质量二级标准,酸雨污染程度在全省不是最严重的,但“十五”以来,福州市降水酸度略有增强,且酸雨出现频率也呈上升趋势,表明酸雨污染程度未得到明显减轻[1]。本文以福州市历年降水监测数据为基础,分析了酸性降水变化趋势的及区域分布特征,对降水中主要致酸离子组成及酸性降水的影响因素进行了初步探讨,为进一歩开展福州市酸雨研究提供科学依据和研究基础。


  1 点位布设与监测频次


  福州市80年代初建立了降水常规监测网,对酸雨进行较全面的监测。共布设鼓山、紫阳、金鸡山和师大等4个降水监测点,其中鼓山为郊区点位,其余3个为城区点位;降水pH值和电导率逢雨必测。降水离子全组分SO42-、NO3-、F- 、CL-、NH4+、Ca2+、Mg2+、Na+、K+等,每月监测一次。每年约取得200多个降水样本数。
  根据环流形势、天气过程和要素变化的特点,福建省一年四季的划分标准为:春季(3~6月)、夏季(7~9月)、秋季(10~11月)和冬季(12~2)。


  2 福州市降水现状及变化趋势


  2.1 年际变化
  “十五”以来,福州市降水出现一定酸化,2001~2008年上半年降水pH平均值在4.79~5.70之间,酸雨出现频率在在11.9%~76.1%之间;与厦门、泉州、邵武等酸雨污染严重的城市相比,福州市的降水酸度和酸雨出现频率有所不及,酸雨污染程度在全省23个城市中属于中等水平,但图1显示降水酸度总体呈增强趋势,即降水pH年平均值逐年降低,酸雨出现频率呈上升趋势,但这一趋势是缓慢的和振荡式的;2001年和2002年,福州市的降水pH平均值均>5.6,属非酸雨区(pH年平均值≥5.6),2003年~2005年降水pH平均值在5.23~5.58范围之间,,属轻酸雨区(5.0≤pH年平均值<5.6),2006年降水pH平均值又升至5.66,2007年起降水酸度明显增强,2008年上半年福州市降水pH平均值为4.79,是近几年同期的最低值,属于中酸雨区(4.5≤pH年平均值<5.0);酸雨出现频率达76.1%,是近几年同期的最高值,表明酸雨污染呈加重趋势。


  2.2 年内变化
  表2列出福州市近年来降水pH均值及酸雨出现频率月变化,显示出较明显得季节变化,春季是福州市降水酸化较严重的季节,尤其是每年的3月份降水pH月均值都是12个月中最低的,且都低于5.6,酸雨出现频率也相应较高;冬、夏两季次之,秋季相对较轻;但不同年度月变化规律略有差别,2004和2005年春季和冬季降水酸化程度高于其他2个季节,2006和2007年则是春季和夏季降水酸化程度较高。
  表1     福州市降水pH均值及酸雨出现频率月变化

年度

指标

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

2004

pH月均值

5.36

5.45

5.14

5.92

5.47

6.07

5.91

5.43

5.56

/

5.57

5.75

酸雨频率(%)

22.7

41.7

57.1

14.3

51.5

0

21.7

34.5

52.8

/

10

14.3

2005

pH月均值

6.16

5.15

5.23

5.36

5.57

5.79

5.64

5.69

5.96

5.94

5.87

6.27

酸雨频率(%)

0

48.6

48.6

36.8

35.3

24.2

25

12.5

25

0

10

0

2006

pH月均值

6.01

5.97

5.51

5.82

5.74

5.54

5.81

5.59

5.56

/

5.66

5.94

酸雨频率(%)

0

9.1

34

18.2

22.2

22.4

12.5

25

21.1

/

14.3

5.3

2007

pH月均值

5.91

5.86

5.57

5.6

5.75

5.19

5.24

5.42

5.76

5.83

5.72

5.6

酸雨频率(%)

4.2

15.6

25

31.3

15

56.3

100

32.5

18.8

12.5

25

25

   
  3、酸雨分布特征
  福州市酸性降水具有明显的地域性,酸化最严重的是郊区点鼓山,近年来,降水pH均值均低于5.6,酸雨出现频率在67.9~83.7之间,城区点位紫阳、金鸡山、师大降水酸化程度相对较轻,降水pH均值均大于5.6,酸雨出现频率在3.5~20.9之间;但从变化趋势看,福州市各点位降水pH均值逐年降低,酸度有所增强(见表2),2008年上半年,紫阳、金鸡山、师大降水pH均值均低于5.0,属于中酸雨区,鼓山降水pH均值低于4.5,属于重酸雨区,其降水pH最低值为3.82,是几年来的最低值。从降水分布看,各点位每年上半年约取得50个左右的降水样本数,每年降水的次数差别不大;2005年上半年~2008年上半年,福州市降雨量分别为764.1毫米、1128.2毫米、642毫米和848毫米,除2006年上半年降雨量较大外,其余年份降雨量差别在100~200毫米之间,但2008年上半年各点位酸雨出现频率却大幅上升,尤其是鼓山点位高达100%,成为逢雨必酸的点位。
      表2       各监测点位降水pH均值及酸雨出现频率

 

鼓山

紫阳

金鸡山

师大

pH

酸雨频率(%)

pH

酸雨频率(%)

pH

酸雨频率(%)

pH

酸雨频率(%)

2005

5.02

83.7

5.82

19.4

5.78

20.6

5.7

20.9

2006

4.99

67.9

5.88

3.5

5.88

4.7

5.88

4.7

2007

4.83

74.3

5.63

13.5

5.68

13.5

5.69

13.5

2008年上半年

4.35

100

4.96

68.1

4.94

68.1

4.92

68.1

   
  4、降水化学组成


  4.1福州市降水化学组成分析
  降水中各项离子所占的当量比例见图3。福州市降水中主要阴离子为硫酸根,占离子总当量的比在9.27%~20.44%之间;其次为硝酸根离子和氯离子,占离子总当量的比分别在5.57%~11.67%和3.22%~5.48%之间;降水中的主要阳离子为钙离子和铵离子,占离子总当量的比分别在40.31%~49.07%和13.04%~25.76%之间.

  
  4.2 主要致酸离子的比例变化
  降水中主要致酸阴离子为硫酸根和硝酸根,对降水酸度有缓冲作用的主要碱性离子为钙离子和铵离子,硫酸根和硝酸根离子总当量越高,越容易形成酸雨,钙离子和铵离子总量越高,对酸雨的缓冲能力越强.用硫酸根和硝酸根离子的总当量与钙离子和铵离子的总当量的比值可作为判断降水是否容易酸化的指标[2];2006年上半年~2008年上半年,福州市降水中硫酸根和硝酸根离子的总当量与钙离子和铵离子的总当量的比值在0.27~0.68之间,呈逐年上升趋势,降水酸度增强(见表3).
  在降水离子总量基本不变的情况下,主要致酸离子的比值发生变化,降水酸度也随之改变。2008年上半年降水离子总量与2007年上半年基本持平,但主要致酸离子所占的当量比却发生改变,降水中SO42-和NO3-所占的当量比分别较2007年上半年上升10.5个和5.4个百分点,而Ca2+的当量比则下降21.96个百分点,硫酸根和硝酸根离子的总当量与钙离子和铵离子的总当量的比值明显升高,由于致酸阴离子上升,碱性离子下降,对降水酸化的缓冲作用减轻,使得福州市2008年上半年降水酸度增强,酸雨污染加重。因此,降水中致酸阴离子与碱性离子的比值是影响酸雨形成的主要因素.
  表3      福州降水中主要致酸离子所占的当量比例(%)

 

NH4+

Na+

K+

Ca2+

Mg2+

SO42-

NO3-

CL-

F-

SO42-+NO3-/Ca2++NH4+

pH

2006年上半年

28.48

7.89

0.98

35.18

4.75

9.94

7.46

3.05

2.26

0.27

5.63

2007年上半年

17.47

5.01

3.11

43.46

6.09

12.94

5.30

4.82

1.81

0.30

5.44

2008年上半年

28.70

3.60

2.60

21.50

1.90

23.40

10.70

7.50

0.20

0.68

4.79

   
  福州市降水中SO42-和NO3-的当量比范围在1.51~1.75之间,平均为1.64,表明降水中的酸性物质是以硫酸盐为主.但近年来福州市降水阴离子中,SO42-/NO3-的平均当量比值逐年降低(见图6),2007年为1.51,明显低于福建省平均水平(3.57),表明NO3-对酸性降水的贡献较大,酸雨污染逐步从硫酸型向硫酸硝酸混合型转变。这与城市机动车保有量的增加和二氧化氮浓度的上升密切相关。
   
  5 酸性降水的影响因素


  5.1二氧化排放强度对降水酸度的影响
  燃煤排放的大量二氧化硫等大气污染物是酸性降水的主要致酸物质,对福州市历年来降水pH均值与二氧化硫排放强度的相关性分析结果表明,降水pH均值受二氧化硫排放强度的影响不显著,即福州市降水酸度最强的年度并不出现在致酸污染物排放强度最大的年度;
  与上海、南京、徐州、苏州、杭州和广州等周边城市比较,福州市为二氧化硫的低排放区(见表4),环境空气质量总体较好,二氧化硫、二氧化氮和可吸入颗粒物年均值均优于国家环境空气质量二级标准;但降水酸化程度福州却比武汉、徐州和南京等城市严重,表明福州市酸性降水不仅是本地致酸污染物引起的,还与周边地区污染物的输送有关.酸性污染物及其变化产物长距离传输是导致区域性酸性降水的主要原因,一个城市的酸性降水受局地和外来致酸污染物的同时影响,福建省地处东亚酸雨区,是受异地污染影响较为强烈的地域,受区域二氧化硫和氮氧化物等致酸前体物的排放影响较大,研究表明,福建省硫酸根沉降量中绝大多数来自邻近省份的远距离输[3];一年4个季节中,60%以上的硫酸根沉降量来自外省的输送,春夏季福建省西边的省份向其输送的沉降量偏多,秋冬季北边的省份输送量偏多,这与各个季节的风场条件相一致。
  表4   2006年福州市与周边城市二氧化硫排放量比较 /万t·a-1

福州市

杭州市

广州市

武汉市

南京市

徐州市

苏州市

10.15

12.12

12.48

13.26

14.63

17.77

23.20

 

  5.2 二氧化氮对降水酸度的影响
  氮氧化物是降水酸化的另一原因,主要来源于石化燃料的高温燃烧。近年来,福州市降水阴离子中NO3-的含量逐年上升,酸雨污染逐步从硫酸型向硫酸硝酸混合型转变。这种现象的出现与城市机动车保有量的增加和二氧化氮浓度的上升密切相关,近年来,福州市机动车保有量激增,2005年全市机动车保有量10.97万辆,较2001年增加4.78万辆,机动车数量的增加,导致机动车尾气排放量的增加,2007年,福州市公路交通氮氧化物排放量2.6万吨,较2006年上升8.3%,造成空气中二氧化氮浓度也呈逐年上升趋势,在全省23个城市中福州市空气中二氧化氮浓度一直是最高的,在氧化性较强的大气中氧化生成硝酸进入雨水中,使得降水中NO3-总量增加,促进降水酸化。


  5.3 颗粒物对降水酸度的影响
  大气颗粒物的酸碱性和化学性质对酸雨形成也起着重要作用,福州市4各点位受区域致酸污染物的影响应该是一致的,但郊区点位和城区点位的降水酸化程度却不同,主要与各点位所处地理位置和局地污染源有关,鼓山地处福州郊外,海拔969米,四周是山地森林,空气中尘类污染物少,对降水酸度有缓冲作用的主要碱性离子钙离子和铵离子的含量较低,对酸雨缓冲能力较小,降水酸化较严重;而城区点位人为活动的干扰较多,工业粉尘、建筑施工扬尘、道路扬尘等碱性颗粒物对酸性降水起到缓冲作用。


  5.4气象条件对降水酸度的影响
  福州市酸雨的季节性变化与本地气象条件的季节性变化特征密切相关,在污染源排放污染物相对平衡的情况下,城市污染气象条件决定了大气对污染物的输送和扩散能力。研究表明850hpa高度上为大气污染物的主要输运高度,采用850hPa天气图的风场资料,对全省沿海等城市在不同风向下酸雨分布进行分析表明,850hPa上空风向的变化对各个城市酸雨污染产生一定程度的影响,在偏南风、偏西风和西北风影响下酸雨出现机会相对比其他风向多。福州市春季降水特点是阴雨连绵,受入海高压后部影响,低空常有西南急流出现,有利于两广地区致酸污染物的长途输运,加上春季大气层结稳定,极易在低空形成逆温,使得局地污染物出现堆集,对城市降水酸度产生不同程度的影响。冬季受冷高压控制时,存在下沉气流且热力对流弱,常伴有强的辐射逆温,不利于局地污染物扩散,降水主要受北方冷空气南下影响,过程雨量不大,在此期间,正是北方各省采暖季节,燃煤量大,二氧化硫排放强度高,北方邻近省份的污染物可随北风南下,形成大面积的酸性降雨。夏季主要受副热带高压控制,热力对流强,降水多数由台风和局地强对流活动引发,雨水丰富,有利于空气污染物的扩散及洗消;但由于夏季降水量非常大,所以酸的总沉降量并不低,因此某些年份夏季降水也出现酸化。秋季降水较少,大气和云水中碱性物质较多,降水酸化相对较轻。


  6 结论


  6.1多年降水监测数据表明,福州市降水出现一定酸化,降水pH年平均值逐年降低,酸雨出现频率总体呈上升趋势,但这一趋势是缓慢的和振荡式的。
  6.2福州市酸性降水具有明显的地域性,郊区点位鼓山降水酸化程度重于城区各点位;从季节变化看,春季降水酸化较严重,冬、夏两季次之,秋季相对较轻,与本地气象条件的季节性变化特征密切相关。
  6.3降水中主要阴离子为硫酸根,但近年来硫酸根和硝酸根离子的平均当量比值逐年降低,硝酸根对酸性降水的贡献较大,酸雨污染逐步从硫酸型向硫酸硝酸混合型转变。因此,控制酸雨污染的发展,限制二氧化硫排放的同时,也要重视二氧化氮对降水酸化的影响。
  6.4降水中的主要阳离子为钙离子和铵离子,城区点位钙离子和铵离子的含量高于郊区点位,对酸性降水起到一定缓冲作用。
  6.5福州市为二氧化硫的低排放区,环境空气质量总体较好,二氧化硫、二氧化氮和可吸入颗粒物年均值均优于国家环境空气质量二级标准;降水pH均值受二氧化硫排放强度的影响不显著,表明福州市酸性降水不仅是本地致酸污染物引起的,还与周边地区污染物的输送有关.
 

  参考文献
  [1]林长城,林祥明,邹燕等,福州气象条件与酸雨的关系研究[J],热带气象学报,2005,21(3),330~336。
  [2]赵卫红,福建省主要城市降水离子特征及沉降量现状分析[J],亚热带资源与环境学报,2008,22(4):405-410
  [3]屈玉,肖辉,王振会,等.福建省硫沉降量变化的分析与比较[J].气候与环境研究,2006,11(2):186-193.
   
  个人简历
  姓名 赵卫红  性别 女  出生年月1956年9月   福建省环境监测中心站综合室付主任  高级工程师
  长期从事环境监测综合分析工作,发表科技论文多篇。
  联系地址:福建省福州市鼓楼区环保路8号福建省环境监测中心站        邮编:350003
  电话:13799372976    0591-83571115
  电子邮箱:leecheecity@163.com

 
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