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上海酸雨物理化学特征及氮湿沉降研究

杜建飞  
【摘要】:酸雨又被称为“空中死神”。我国是继欧洲、北美之后的世界第三大酸雨多发区。据《2009年上海市环境状况公报》中报道,上海酸雨污染高达79.2%,是世界上酸雨污染最严重的城市之一。 本研究通过对上海宝山气象站的酸雨长期观测资料的气候特征分析,探讨了宝山酸雨pH的年际变化和月变化,发现宝山站的酸雨特征和上海市平均状况有较大差异,并和浦东气象站同期历史观测资料进行了对比分析,阐述了大气污染及气象因素对两地酸雨污染差异的影响。为了调查上海酸雨污染空间分布状况,在上海布设十个采样点,分析了降水中离子成分,并对上海市酸雨pH和化学组分进行了评估,研究了pH和离子空间分布特征。继而对宝山和浦东降水化学成分进行了对比分析,研究造成这种差异的原因。最后论述了上海地区大气氮湿沉降的长期变化趋势、时空变化特征。 本论文主要研究结论如下: 1.上海宝山地区酸雨长期变化趋势、月变化及原因解析。通过对上海宝山气象站1992-2009年酸雨长期观测资料分析,结果表明,宝山地区多年降水量加权平均pH为5.21,呈弱酸性,酸雨率24%,低于上海市平均水平。宝山降水pH变化区间为3.03-8.44,45%的降水pH集中在6.0-7.0之间。pH年际变化趋势不明显,和上海市平均pH变化趋势相差较大。电导率EC值呈逐年上升趋势,平均每年增加2.0pS cm-1。 pH在冷季较低,暖季较高,电导率EC相反。与浦东站2007-2009年资料对比发现,浦东酸雨状况远比宝山严重。宝山和浦东站pH均与PM10、 SO2、 NO2浓度呈负相关,EC与PM10、 SO2、 NO2浓度呈正相关。宝山和浦东降水的pH均随降水量增加略有下降,最高值出现在降水量最小的降水时段;EC值随降水量增加而降低,降水量对大气污染物稀释作用明显;酸雨率也是在降水量小的时候较低,表明大气颗粒物对降水有一定的中和作用。宝山站在西北风来向的酸雨pH最大,而在东北到东南风来向的酸雨pH最低,即酸雨程度最重;浦东站,在北到西北风来向的酸雨的pH最大,而偏南风带来的酸雨的pH最低。 2.上海平均pH、可溶性离子浓度的时空变化。通过对上海市十个采样点降水化学组分进行分析,上海地区平均pH是4.51,降水呈酸性,酸雨率是65%,再次证明上海是世界上酸雨最严重地区之一。上海地区降水pH空间分布是不均匀的。上海西部和西南部的松江、金山和青浦三站最低,上海北部宝山、嘉定最高。上海降水pH具有明显季节变化特征,绝大部分站最低值和最高值分别出现在春季和夏秋季节,冷季的pH较暖季更低,与SO2和NO2浓度季节变化比较一致。上海地区降水平均离子浓度排序:Ca2-S042-NH4'Cl-Na+N03- Mg2+F-K+,S042-/N03为3.24,上海酸雨主要是硫酸型。平均离子浓度之和730.08μeq/L,属重度污染。可溶性无机离子浓度之和空间分布不均匀。高值出现在上海北部和市中心区域,低值出现在上海南部和西南部地区。从降水各离子空间分布可以看出,Ca2+空间分布和pH空间分布基本一致。各点平均离子浓度的季节变化,只有钙离子较为一致,九个站有七个站Ca2+浓度最高值出现在夏季。 3.上海宝山和浦东酸雨化学组分对比分析。通过对2008年8月宝山和浦东降水化学组分和大气污染物详细研究可知,宝山降水平均pH是5.59,酸雨率9.1%;浦东酸雨比宝山更为严重,降水平均pH是4.19,酸雨率92.3%。宝山降水中离子浓度之和1306.56μeq/L,是浦东离子浓度之和(749.39μeq/L)近两倍,属于重度污染。两站共同特点是:SO42-和NO3是主要阴离子,Ca2+和NH4+是主要阳离子。宝山钙离子中和作用远高于浦东,是两站酸雨污染不同主要原因。研究还发现,浦东做为大气环境相对清洁地区,硫酸盐和硝酸盐主要是光化学反应生成,而宝山大气硫酸盐和硝酸盐主要通过非均相的化学反应生成。浦东大气颗粒物中以细粒物为主,增加降水酸性;宝山粗粒物占比重较大,对降水酸性可起缓冲作用。两地大气氧化能力和气溶胶颗粒物对降水的不同作用,从另一个角度解释了两地降水酸性不同的原因。对降水离子源解析表明,上海降水中大部分离子来自人类生活和生产过程排放,反映出上海大气是矿尘、二次气溶胶及海盐颗粒复合污染,其中矿尘和二次气溶胶贡献较大。 4.上海大气氮湿沉降浓度和通量的长期变化趋势及时空变化。通过对1990-2009年上海市空气质量年报中NO3和NH4+浓度数据,结合宝山气象站年降水量资料,对上海地区氮湿沉降长期变化趋势进行了分析,N03--N(硝态氮)浓度最低值出现在1991年,为1.34mg/L,最高值3.41mg/L出现在2003年,多年降水量加权平均值是2.39mg/L,总体呈波动上升趋势,年平均增长率为0.05mg/L;NH4--N(氨态氮)浓度变化范围在1.70mg/L到2.62mg/L之间,最低值和最高值分别出现在1991和1997年,多年降水量加权平均值是2.07mg/L,总体呈下降趋势,年平均下降率是0.03mg/L。TN(总氮)浓度位于3.04-5.75mg/L,多年降水量加权平均值是4.46mg/L。上海大气降水中氮沉降通量年际变化较大,硝态氮年沉降通量最高值是2009年,为38.17kg hm-2yr-1,最低值是1991年为20.48kg hm-2yr1,多年平均值为27.72kg hm-2yr-1,和降水量呈弱正相关(r2=0.215);氨态氮年沉降通量最高值发生在1999年,为35.22kg hm-2yr-1,最低值是2008年为19.12kghm-2yr-1,多年降水量加权平均值为24.01kg hm-2yr1,和降水量呈弱正相关(r2=0.315);总氮年沉降通量多年降水量加权平均值为51.73kg hm-2yr-1,和降水量相关较明显(r2=0.402),降水量对大气湿沉降氮沉降通量有重要影响。 研究表明,上海大气降水中各站点硝态氮、氨态氮和总氮浓度有明显季节变化,但呈现不同变化特征。氮沉降浓度空间分布不均,硝态氮、氨态氮及总氮年平均浓度空间分布有较大差异。硝态氮平均浓度徐家汇地区最高,为3.78mg/L;奉贤地区最低,为1.42mg/L。氨态氮浓度奉贤地区最高,达到2.42mg/L,最低值出现在南汇地区。徐家汇地区总氮浓度最高,南汇地区最低。这主要是氮沉降浓度与降水量、所处地理位置、气候条件、本地污染物排放和外区域传输综合影响,使得氮沉降空间分布复杂多变。同时,硝态氮沉降通量季节变化明显,除了闵行、青浦两站春季略高于夏季外,其他各站均表现为夏季最高,最低值除奉贤地区出现在春季外,其他各站都出现在冬季,硝态氮季节变化主要是降水量决定的。氨态氮沉降通量季节变化,除青浦地区和松江地区外,其他各站均是夏季最高,最低值除南汇地区和奉贤地区出现在春季外,其他各站均为冬季最低。总氮湿沉降通量季节变化,除了松江地区和青浦地区两站为春季最高外,其他各站均为夏季最高,市中心站点徐家汇地区硝态氮、氨态氮和总氮湿沉降通量均高于郊区。各点氨态氮沉降通量均小于硝态氮,说明上海各个区来白农业和人畜粪便挥发排放的氨态氮对大气氮湿沉降贡献普遍低于化石燃料燃烧和机动车尾气排放的氮氧化物氧化生成的硝酸盐的贡献。


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