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1、第卷第期 年月中国环境科学关于我国酸雨的污染物输送问题蒋大和同济大学 环境工程学院,上海。 。文摘我国燃煤消耗量很大,排放二氧化硫而引起的酸雨 污染正引起国内外,特别是东亚地区各国的重视。本文通过个方面探讨我国酸雨中污染物的输送 问题酸雨输送研究方式和湿沉降过程我国酸雨分布和硫酸型特点酸雨与天气系统的关系我国典型酸雨区研究的成果。由此说明酸雨 作为污染物 的湿沉降,其前体物的主要部分涉及输送可能是中距离的,即几百公里以内。我国排放污染物对邻国酸雨长距离输送的影响可能存在,但影响究竟有多大则有待于大规模详细研究的结果。关镇词中国,酸雨,输送。在酸雨污 染问题中,酸雨前体物的输送是一个相当敏感的问
2、题。于 国 内,这一问题的研究,对为减轻酸雨污染,制定各省市或经济区二氧化硫排放的总量控制方案,有着重要影响于国际,对于邻国,特别是日本和韩国,可能得到切合实际的结果,以解释其酸雨的形成是否 主要来 自我国污染 物的输送,为进一 步的对策研究奠定基础。大气污染物排放之后,在输送中要经历一系列大气物理和化学过程。比较定量地确定我国排放的二氧化硫及其次级污染物的输送范围究竟多大,对邻国酸雨污染究竟有多少影 响,是一个极为复杂的科学问题,需要通过认真严肃的研究才能得到答案。我国大范围的酸雨研究还在起步阶段,邻国以及东亚酸雨研究也不成熟,因此 尚不能对上述输送问题给出明确的结论。然而北美和西欧从年代末
3、期以来,已经积 累 了丰富的研究经验我国从“六五”末期以来开展 了全国范围降水化学监测和典型酸雨地区的研究,全国范围的研究也在进行之中,有可能利用这些经验进行适当的分析,探讨我国酸雨中污染物的输送问题。本文通过国内外和自身的研究经验,得到 了一些初步看法 酸雨作为污染物 的湿沉降,除化学过程外,降水系统 的形成和移动,以及污染物如何进入云雨水等物理过程的研究,对于定量描述输送过程是至关紧要的。根据我国酸雨分布以及化学组分特点,与酸性降水相关的主要夭气系统的分析和研究经验,笔者认为酸雨前体物的主要部分涉及的输送可能是中距离的,即几百公里以内。应当说,我国排放的污染物长距离输送的影响存在,但对邻
4、国的影响究竟有多大,则有待于大规模详细研究的结果,而且可能会比国外学者的估计要小。酸雨输送研究方式及湿沉降过程年代初期在西北欧开始研究酸雨的长距离输送问题,到年代末期在北美也形成了研究高 潮,美国和 加拿大并在此研 究的基础上商定了各 自削减二氧化硫 的协议。由于涉及的地域范 围大,酸雨输送问题研 究的重要手段是数值模式计算。早期模式以拉格朗日轨迹型为主,其 中假设 空气柱以某种平均 的平流风速输送,常 取高度约处 的地 转风为输送动力。这样的模式本质上是二维的,风速在垂直方向切变的影 响被掩 盖 了。其次,高度处的风速偏大,容易导向长距离输送。而独立于转化和沉降过程,先计算轨迹分布,单纯检查
5、轨迹也容易得到先入为主的印象。第三,早期模式都收稿日期一一 Foxit Reader - - 期蒋大和关于我国酸雨的污染物输送问题以湿沉降系数来表征云雨过程对污染物的湿清除,这样酸性 降水中的污染物必然来自和平流风同样的方向。因此,早期模式容易得到酸雨形成可以涉及上千公里输送 的结果。然而 因为输送涉及的地域大,模式计算结果难以获得确实的验证。年代以来,发达国家酸雨模式 的研究重点转向了欧拉网格型,可以处理 随时 间变化 的三维风场 中的输送过程大气化学部分得到了很大的发展应用动力学气象模块,也研究应用了一维云雨模块。尽管还有薄弱环节,美国的年酸雨研 究成果认 为,一个重大污染源输送关于酸雨污
6、染的影响距离在二百到三百公里左右。虽然并未专 门评论以往拉格朗日轨迹型模式 的研究成果,但其差别是相 当 明显的。拉格朗日轨迹模式比较经济,因此还在得到应用和发展。如三维轨迹,更 附合实际地考虑风速风 向的空间变化等,但仍然难以进一 步考虑云雨过程,特别是云雨的形成以及污染物怎样进人云水和初期雨水的过程。我国二氧化硫排放量大,污染物输送后对处于中纬度西风带下风 向的韩国和日本其酸雨的形成会有影响。因此他们的学者一直高度重视这个问题,并认为他们国家酸雨的形成主要来 自我 国污染物 的长距离输送。比较集 中的问题是冬季酸雪、春季沙爆和春末夏初低压和气旋系统下污染物的输送过程。空气污染物 的输送 和
7、天气系统,以及 污染物的类型密切相关。春季沙瀑形成于西伯利亚的西南部、蒙古和我国西北的沙漠地带。在冷高压控制东亚大陆的天气系统下,得以长距离输送“。这时,风速很大,从地面起到一的高度风速虽然有增 加,但是风向基本一致,切变的影 响较小。同时,干燥天气下没有湿沉降,有利于黄沙的长距离输送。酸雨是酸性污染物的湿沉降,其输送过程主要和降水天气系统有关,和春季沙爆的情况有相当大的差别。我国降水中的水分 或者来自西南暖湿气流,或者来 自东南海面,或者来自地面附近的湿空气。云和降水主要是 由比重较 小的暖湿 空气,“被”抬升到高空冷却而形成的。因此,在降水天气系统 中存在着冷空气和 暖湿 空气的相对运动。
8、在垂直方 向上,风速风向都会有大的变化,即所 谓 的风 切变。比如江南的黄梅季节,连绵阴雨,地面附近是偏北风,但在云雨形成高度是偏南风。我们在卫星云图上常常可以看到成带成块 的降水云系向东南方向移动。这一方面固然说明了整个降水系统的移动,然而,云图上显示的主要或者首先是 降水过程形成机制的移动,含污染 物 暖湿气流的输送过程则更为复杂。如 图所示,以冷锋降水为例,锋前的暖湿气流“被迫”沿冷锋峰面抬升,膨胀冷却而形成降水云系。这时暖湿气流 的运动方 向是朝向锋面的,即人若站在锋面上一起运动来观察,则暖湿空气来 自偏南方。同时,在锋区形成 降水系统之后,污染物将和水分一起降到地面而被从空气中“清除
9、”在锋面后方,云系还会 因蒸发而消散。整个锋面降水系统的维持和移动实际上包括 了地面附近冷空气的维持,锋面前方 暖湿气流的不断补充,锋区降水和锋后云系的消散。因此,这种天气系统中造成酸性降水的污染物 可以来自两个方面随暖湿气流抬升,直接进入云水再变换为雨水下降 雨洗随冷 空气输送到云下,然后被雨淋进入雨水 淋洗。因此,和酸雨相关的输送过程十分复杂,应用沙瀑来比拟是不够恰当的。一般认为,长距离输送的影 响 主要 反映在雨洗中,即在雨滴形成前污染物已经存在于云水之 中。在锋面上观察,这部分污染物主要来 自锋前污染源,随暖湿气流抬升进入云水。在地面上观察,则可能随锋区的移动,锋前转为锋后,污染物也可
10、能输送长距离。由此可见,准静止锋,或缓行冷锋,甚至暖锋的酸性降水,涉及长距离输送的可 能性不大。对冷锋而言,则强度越大,移动越快,但锋区的对流过程强烈。如果锋前水汽充足,降水过程较强,污染物 的湿清除也较快如降水较弱,则即使酸雨来 自长距离输送,在全年降水 中所占比例却未必很大,需要具体问题具体研究。图是由日本气象厅提供的卫 星云图。冷锋从我国东北部移到日本,遇到日本 中部的山脉和 山脉东侧 的暖湿空气,形成强对 流 的锋面降水系统。沿 山脉 的云团即 由强迫抬升的暖 Foxit Reader - - 中国环境科学卷厂厂粉雨输送研究中的重要 问题。而这些 问题恰好是早期拉格朗日轨迹模式未能适当
11、处理的。当时轨迹模式得到酸雨输送可能涉及上千公里的结果并不奇怪。但现在我们应当能更加切合实际地来研究输送问题。图冷锋降水过程示意图日本气象厅提供的卫星云图湿空气形成的,导致日本西部大雪天气。如果这是日本典型的酸雪天气系统的话,则日本本土污染源的贡献决不能 忽视,其排放的污染物 随对流进入云水雪水 的贡献恐怕 会 占主要部分。因为锋面后面较浅 的云带事 实上表示云 系的消散过程。虽然随着 整个天气系统的东移,这部分云系可能带有从我国输送的污染物,但经历了长距离和伴随 的湿沉降,特别是经过了海上的降水过程,因此贡献可能是次要的。另有部分污染物是在云下输送的,也经历 了长 距 离输送和降水淋洗 的过
12、程。在酸雨形成过程中,本地 污 染物抬升和 长距离输送污染物 的贡献各占多少比例是相 当复杂的。天气系统,降水过程,风切变影 响,包括云系的形 成,污染物 怎样进入云雨 水等是目前酸我国酸雨监测以及硫酸型特性从“六五”末期开始,我 国逐步建成了降水化学监测网。多年的降水观测结果表明我国酸雨区的分布主要是在长江以南,特别在西南和华南区。华东地区,如湖南和江西等省酸雨也有逐年加重的趋势。我国北方,主要是胶东半岛,如青岛地区,酸雨也相当严重。这些监测结果显示了我国酸雨污染程度和地表土壤的酸碱度有关。值得指出的是我国严重酸雨地区的分布除了和地理气象条件相关外,和重大污染源的分布密 切 相关,酸 雨区基
13、 本上和污 染源区吻合,。与此同时,台湾也进行了酸性降水 的监测工作。他们发现酸雨主要发生在西北部沿海,特别是 北端的台北基隆地区见 图,和污染源区的关系和大陆的结果吻合。有意思的是,台湾离大陆比日本离中国要近得多。如果大陆上华东华南地区排放的污染物输送对台湾酸雨有决定性 的影响的话,台湾的中部和东部沿海,至少应当观测到相当程度的酸雨,而且台湾全岛的酸雨分布也应 当更为均匀一些。根据绝大部分雨 水和云水 样品的化学分析,”,我国酸 雨是硫 酸型的,即水样中和于之比较高见表。这是因为我国燃料主要 是煤,酸性污染物 主要是二氧化硫及其次级污染物。然而,日本的酸雨是硝酸型 的 见表,这和日本用油量大
14、相关。如果我国污染物经过长距离输送之后,对日本酸雨的贡献达到,则日本酸雨也应当转变为硫酸型才符合情理。我国酸性污染物输送的影响是存在的。比如对峨嵋山、庐山、黄山和衡山等的观测结果表明,即使附近没有重大 的污染源区,高山点云水和雨水也可以呈现强烈的酸性。又如近年来 Foxit Reader - - 期蒋大和关于我国酸雨的污染物输送问题东、广西和上 海进行过的飞机航测云水结果表明,在及至更高的云水可以大范围地呈现强烈的酸性,一般认为这样高度的污染物质有利于较长距离的输送过程。总结酸雨区分布和重大污染源区密切相关和输送过程影响存在这两个方面,我们认为,我国排放的酸性污染物 对酸雨存在输送 的影响,但
15、其影响范围是 中尺度 的,即可以跨 省的几百公里之内。这种情况也附合前述 国际上新近的研究成果。图台湾年冬季降水值分布我国酸雨区有扩大和互相连结的趋势,湖南、江西和浙 江等省都有严重酸雨的报道,以至 长江以南酸雨区已经联成一片。再如四川、贵州、广我国酸雨与天气系统的关系如前所述,酸雨是指酸性污染物的湿沉降。我国降水天气系统主要 是 冷 锋、准静止锋、低压、暖锋、热带风暴和夏日的对流云降水等。我国北方,虽然 由于土壤碱性较强,大都没有酸雨问题,但冷锋过程 中污染 物 的输送可能对韩国和日本的酸雪有所影响。长江以南各地则报道了冷锋、低压、准静止峰是发生酸雨的主要降水天气系统,表分别取自各有关单位的
16、研究报告。其中,表没有直接把降水值和天气系统相联系。但是,酸雨相对严重的时期是春季和秋季,此时冷锋、低压和准静止锋也导致主要的降水过程。表个城市雨水样品中某些离子浓度分析结果 衅引 自王文兴等“,城市北京长春锦 州烟台平顶山合肥苏州上海杭州南宁南宁南宁一才醚一矛遏一矛 Foxit Reader - - 中国环境科学卷续表桂林重庆贵阳马鞍 山广州梧州梧州衡阳衡阳。注其它样品均为年观测结果表日本一些城市,年月到,年月间降水中某些离子的年沉降,地北海道点才若一炭一犷,乙。月,了门 了乐小乐乐东车小东东宫城县几气任八工九右任月使八乙叮泞自八匕东京都左工门月啥任,孟任月八 亡门月洲匕口匕勺,口亡,太 从八气甘匀八乙月峪月八,
