引言

酸性是降水的重要指标之一，酸雨通常是指pH＜5.60的大气降水。造成酸雨的因素很多，主要是来源于人为排放的大量酸雨前体物如SO₂和NO_x等酸性气体的转化，使得降水酸性增加，最终形成了酸雨^[1]。我国是世界三大酸雨区之一，目前约有40%的地区存在酸雨问题，具有明显的区域性和局地性特征^[2]。据中国气象局酸雨观测系统的监测数据显示，1999—2006年我国北方酸雨区域有明显扩大趋势，并且酸雨程度明显加强^[3]；汤洁等^[4]发现中国酸雨区酸雨污染程度发生了区域性变化，其中，华北地区的酸雨污染程度在2000年后出现连续大范围的加重现象。

泰山位于山东省中部，海拔高度1 545 m，是山东省最敏感的酸雨区之一。泰山顶四季划分不明显，具有明显的高山气候特征。泰山上树木经过长期的精心保护和培育，森林生态系统得到不断完善，其在涵养水源、保护野生动植物、维持环境稳定等方面具有不可替代的作用。泰山相对海拔高，局地重污染排放较少，大部分污染物源于外来输送，其酸雨发生频率仍相对较高，目前酸沉降已经造成了泰山不同海拔高度土壤的酸化趋势^[5]。2004年7—12月泰山站观测到降水的雨量加权平均pH为4.74，酸雨频率占到78.3%^[6]，2004—2006年间泰山降水最低pH更是达到3.60，并且以硫酸型酸雨污染为主^[7]，说明人为污染物的排放等因素导致泰山降水酸化问题突出。因此，研究泰山的降水酸性等特征的变化情况对于控制区域酸雨污染问题、保护自然生态环境具有重要的意义，同时也为改进我国酸雨数值模拟研究^[8]和为相关部门制定综合污染防治措施提供参考依据。

1 资料与统计方法

本文所用资料为泰山气象站2006—2015年的降水pH、电导率、降水量及风向风速。经统计，10 a间泰山有效降水为659次。酸雨资料采用中国气象局颁布的酸雨划分标准进行统计：降水pH＜5.60时为酸雨，pH在4.50~5.60之间时为弱酸雨，pH＜4.50时为强酸雨。

应用汤洁等^[9]提出的K-pH不等式方法对所有资料进行质量控制，去掉不满足条件的记录。根据中国气象局酸雨观测业务规范^[10]，使用H⁺的降水量加权均值方法计算降水的年均pH，使用电导率的降水量加权平均方法来计算降水的年均电导率。此外，本文采用算数平均方法计算月均pH和月均电导率以讨论降水量的影响。

酸雨频率：取降水pH＜5.60 (不含5.60)的次数，按照下式计算其出现频率，即：

$ F_{[<5, 60]}=\frac{N_{[<5.60]}}{N_{总}} \times 100 \% $

式中，F_[＜5.60]为pH＜5.60的频率；N_[＜5.60]为pH＜5.60的次数；N_总为进行pH观测的总次数。

2 酸雨特征

通过对泰山气象站酸雨监测数据进行统计分析显示，2006—2015年泰山单次降水的pH变化范围为3.40~8.23，659次有效降水中有457次降水pH＜5.60，酸雨频率为69.3%，其中，发生强酸性降水的频率最高，为37.5%；其次是弱酸性降水，占总降水的31.8%；碱性降水发生频率最低，频率为2.4%，表明泰山地区的酸雨问题较为突出。

由表 1可知，泰山2006—2015年降水的10 a平均pH为4.50，其中，2008年降水年均pH最低，为4.31；2015年年均pH最高，为4.99。从酸雨频率来看，2007年最高，酸雨频率为91.0%，2015年最低，为23.4%。本文的观测结果与孙厚根和汤洁^[11]研究的2007、2008、2010年泰山站降水年均pH基本一致。整体上，2006—2015年的年均pH均小于5.60，而酸雨出现频率也明显偏高，说明泰山地区酸雨频发且酸性较强，但近几年降水年均pH的升高和酸雨频率的降低表明泰山酸雨情况开始有所改善。表 1中显示2010—2015年，泰山酸雨频率由80.3%下降到23.4%，这主要是由于随着我国大气污染减排政策的实施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，比如山东省SO₂排放量2011—2015年下降了16.5%，有效降低了酸雨发生几率；另一方面，中国东部地区SO₂以及NO_x排放量减少的同时，氨气排放量2011—2014年增加了约20%^[12]，对降水酸性起到了更重要的中和作用。

泰山降水10 a的电导率平均值为48.6 μS·cm^-1，变化范围为5.1~440 μS·cm^-1，是降水较为洁净的瓦里关山降水平均电导率(14.8 μS·cm^-1)^[13]的3倍多，很可能与华北地区大气的人为污染(如SO₂、颗粒物等)较为严重有关。表 1并没有表现出明确的年均pH与年均电导率变化关系，主要是因为电导率反映的是水溶性组分的总含量，而pH是由水溶性酸、碱成分相对含量共同作用的结果。华北地区属于富氨区，氨气以及碱性颗粒物对泰山酸雨起到重要的中和缓冲作用，导致泰山降水中常含有大量铵根离子和碱金属钙离子^[14]，因此，高电导率也并不一定意味着酸雨程度较为严重。

3 降水量对酸雨的影响

降水量是影响降水酸性的一个重要因素，大气中的酸性污染物会被冲刷并溶解到雨水中，并随雨水沉降到地表和水体。图 1描述了降水量与pH和电导率的整体相关关系，可以看到，pH和电导率与降水量的线性相关程度均不高。但按照酸雨pH的界定来划分，随着降水量增加，酸性降水(pH＜5.60)的pH有增加趋势，而中性和碱性降水(pH>5.60)的pH呈较明显的减小趋势，即无论酸性降水还是碱性降水的pH均随着降水量的增加而向pH=5.60趋近(图 1a)。同时，电导率随降水量的增加呈明显的非线性减小趋势(图 1b)，推测是由于水溶性离子受降水量稀释所致。

如图 2所示，泰山降水量具有明显的季节性变化，每个月的平均过程降水量相差较大，7、8月平均过程降水量最大，超过了20 mm，而1、2月平均过程降水量最小，在5 mm左右。降水的月均pH总体呈先下降后上升的趋势，2月的降水pH最高，平均为5.84；从2月到5月，月均pH与月平均过程降水量呈相反变化趋势(图 2a)，即随着降水量的增加，pH减小了0.67个单位；从5月以后，pH与降水量的月变化趋势较为相似，10月的月均pH降到最低的4.43。同时可以发现，电导率与降水量总体呈相反的月变化趋势(图 2b)，当降水量增加时，电导率相应减小，例如7月的平均过程降水量达到最大时，电导率降到最低；当降水量减小时，电导率随之增加，例如7—10月的月平均过程降水量降低了大约4倍，而电导率相应增高了约2倍。7月的降水酸性和电导率均明显较低，除了降水量的稀释作用外，可能与该月份的大气污染程度较轻有关。而秋收期间的秸秆焚烧和较低的降水量共同导致了10月降水的强酸性和高电导率。冬春季较高的降水电导率，主要是由北方冬季燃煤供暖排放的大量空气污染物如SO₂所致，但由于北方沙尘和扬尘天气频繁，泰山冬春季节大风多发^[15]，可将北方地区大气中丰富的碱性物质携带至泰山站点，其中和缓冲作用使得冬春季降水的pH较高，减少了酸雨的发生。

4 风对酸雨的影响

风对酸雨前体物的迁移扩散十分重要，风向和风速不仅决定着当地污染源排放的大气污染物稀释和对外扩散输送速度，更会对排放源下风向地区造成严重的大气污染。泰山是华北平原海拔最高点并且常年风速较大，因此，风携带的高空大气污染物对于泰山酸雨的形成具有十分重要的影响。

图 3显示了2006—2015年泰山降水期间的风向和风速。可以看出，泰山降水期间盛行西南风(图 3a)，从南方(SW—SE)来的风的频率达到了50%，其次为途经东部海域的东北风(NE—ENE，频率为13%)，而西北NW来向的风的频率最低，仅为2%；与风向频率相反，南方来向的风速最低，平均约5.2 m·s^-1，而西北来向的平均风速高达8.7 m·s^-1(图 3b)。说明泰山降水气团主要来自湿润的南方和海洋，而内陆北方气团通常较为干燥，形成降水的情况较少。

图 4描述了不同来向的泰山降水pH和酸雨频率分布。可以看出，由西南至东北来向(WSW—S—NE)的降水pH明显较低(图 4a)，其中S、ENE和WSW来向的降水pH最低，平均4.90左右，而西北NW来向的降水pH则显著高于南方，平均达到了5.76。同时，西南至东北来向降水出现的酸雨频率(70%~80%)明显高于西北来向(30%)(图 4b)。该结果与2004年气流轨迹分析表明的来自我国南部和华东地区的气团带来的泰山降水酸性最强^[6]这一结论吻合。

对比图 3和图 4可以发现，带来降水最多而风速最低的南方来向气团所贡献的酸雨频率最高、酸性最强；带来降水最少而风速最高的西北来向气团所贡献的酸雨频率最低，酸性最弱。此外，带来降水较少但风速较高的东北气团所贡献的酸雨频率也很高，达到了80%，酸性较强。王艳等^[6]、Wang et al.^[7]对泰山降水化学组成的研究结果表明，由于我国北方土壤偏碱性，起源于我国西北或蒙古国的气团，其降水中含有大量的钙离子并且降水酸性最弱，而华东、华中和华南地区污染物排放量大并且土壤偏酸性，导致南方来向降水中硫酸根浓度高而钙离子浓度低，酸性较强。因此，本研究中泰山降水pH和酸雨频率的风向风速分布特征主要由气团来向和周边污染源共同导致。一方面，北方气团常伴随大风，可将大量土壤碱性物质携带至泰山上空，使泰山降水酸性缓冲能力强，整体pH较高，而南方气团和东部气团带来较多的工业污染物和较少的土壤碱性物质，因而该来向的泰山降水酸性较强；另一方面，泰山受周边地市许多大型污染源排放的影响，SO₂等酸雨前体物会被抬升扩散至泰山上空，从而形成酸雨沉降下来。

5 小结

通过用2006—2015年泰山气象站的降水pH、电导率、降水量和风向风速资料，统计分析了泰山酸雨特征和变化趋势，探讨了降水量和风向风速对酸雨的影响。

1) 泰山2006—2015年总有效降水659次，酸雨发生频率较高，达到了69.3%。10 a平均pH为4.50，变化范围为3.40~8.23；年均pH呈现先下降后上升的趋势，酸雨频率也不断下降，表明近几年泰山酸雨污染情况有所改善。

2) 随降水量的增加，pH趋于中性(5.60)，电导率呈明显的非线性减小趋势。月均pH与月平均过程降水量的变化趋势从2月到5月相反，5月以后较为一致；月均电导率与月平均过程降水量总体呈相反的变化趋势。

3) 泰山降水期间盛行风速相对较小的西南风，而风速较大的西北风给泰山带来的降水最少。风向风速对酸雨的酸性和出现频率有显著影响，南风和东北风条件下，酸雨出现频率最高、酸性最强，西北风条件下，酸雨频率最低、酸性最弱。风向风速和排放源共同导致了这一分布特征。