氣象條件對(duì)福州市夏季臭氧（O3）濃度的影響研究

謝祖欣，馮宏芳*，林文，張福旺，李丹，陳彬彬，蔣永成

1. 福建省災(zāi)害天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350001；2. 福建省氣象科學(xué)研究所，福建 福州 350001；3. 福建省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，福建 福州 350003；4. 海峽氣象開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門(mén) 361012

近年來(lái)，隨著《大氣污染行動(dòng)計(jì)劃》的頒布實(shí)施，中國(guó)大氣顆粒物污染得到了有效控制（Chen et al.，2018）；然而，以臭氧（O3）污染為代表的大氣光化學(xué)污染問(wèn)題日益凸顯（Madaniyazi et al.，2016；Wang et al.，2016；Lu et al.，2018），成為中國(guó)大氣污染防治面臨的新挑戰(zhàn)。除卻少量平流層輸送，城市中絕大部分臭氧是由人類(lèi)活動(dòng)排放的揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）、氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）等前體物在太陽(yáng)光作用下，通過(guò)一系列光化學(xué)反應(yīng)生成的二次污染物（Seinfeld et al.，2006；Zhang et al.，2014；唐孝炎等，2016）。前體物的濃度、比例與O3產(chǎn)生速率之間呈復(fù)雜的非線性關(guān)系。同時(shí)，氣象條件在臭氧的形成、轉(zhuǎn)化和擴(kuò)散過(guò)程中也扮演著重要角色（Lu et al.，2019；Lin et al.，2008），如溫度的升高可以通過(guò)改變光化學(xué)反應(yīng)速率直接

促進(jìn)臭氧生成（Lee et al.，2014；Fu et al.，2015）；相對(duì)濕度的增加可以導(dǎo)致對(duì)流層下部臭氧濃度的降低（Kalabokas et al.，2015；He et al.，2017）；氣象條件通過(guò)改變化學(xué)反應(yīng)速率、干濕沉降、輸送等間接影響臭氧濃度（Lin et al.，2008；Lu et al.，2019）；太陽(yáng)輻射、氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速風(fēng)向等是造成臭氧濃度日、季節(jié)和年際變化的重要原因（Gao et al.，2005；Tie et al.，2009；Ding et al.，2013）。作為氧化性較強(qiáng)的反應(yīng)性氣體，O3對(duì)大氣化學(xué)過(guò)程、氣候變化、人體健康和生態(tài)環(huán)境等都有重要影響。作為溫室氣體，O3通過(guò)產(chǎn)生正輻射強(qiáng)迫影響全球氣候；同時(shí) O3也可通過(guò)在光化學(xué)反應(yīng)中影響溫室氣體（如甲烷）濃度而間接影響氣候變化（Solomon et al.，2007）。高濃度O3會(huì)對(duì)人體健康造成危害：如刺激呼吸系統(tǒng)、破壞人體免疫機(jī)能等，長(zhǎng)期暴露可能對(duì)人體造成慢性健康影響（Ito et al.，2005；Bell et al.，2007；Chen et al.，2016）。此外，近地面高濃度 O3還會(huì)影響農(nóng)作物生長(zhǎng)、加速建筑材料老化等（Lee et al.，1996；金明紅等，2003；鄭啟偉等，2005；Kavassalis et al.，2017）。

針對(duì)氣象條件對(duì)臭氧污染的影響，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)值模擬方法，近年來(lái)國(guó)內(nèi)開(kāi)展了大量研究工作。王燕麗等（2017）通過(guò)對(duì)京津冀地區(qū)夏季臭氧污染輸送特征研究發(fā)現(xiàn)，京津冀城市群臭氧污染受區(qū)域傳輸貢獻(xiàn)顯著（＞80%），而本地源貢獻(xiàn)相對(duì)較小。王磊等（2018）研究了氣象條件對(duì)南京地區(qū)近地面臭氧濃度的影響，結(jié)果表明高濃度臭氧污染是多因子綜合作用的結(jié)果，典型氣象條件表現(xiàn)為太陽(yáng)輻射強(qiáng)，低云量少，相對(duì)濕度適宜，地面小風(fēng)速及特定風(fēng)向。Yin et al.（2019a）利用 KZ（Kolmogorov-Zurbenko）濾波法分析了2014—2018年廣州的臭氧濃度，結(jié)果表明，太陽(yáng)輻射、溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速對(duì)臭氧濃度變化的貢獻(xiàn)達(dá)到76%。Li et al.（2020）利用城市空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)研究分析地面臭氧濃度并指出，2013—2019年，中國(guó)夏季最大8 h平均臭氧濃度為以 3.7 μg·m?3·a?1的速率增加；華北地區(qū)的增長(zhǎng)速率最快，為 6.4 μg·m?3·a?1；珠三角的增長(zhǎng)速率為 μg·m?3·a?1；其中氣象條件對(duì)中國(guó)、華北和珠三角地區(qū)臭氧濃度的貢獻(xiàn)分別為 1.4 μg·m?3·a?1、2.7 μg·m?3·a?1和 1.6 μg·m?3·a?1。Liu et al.（2020）利用區(qū)域化學(xué)運(yùn)輸模型 CMAQ（Community Multiscale Air Quality modeling system）評(píng)估了2013—2017年中國(guó)各地區(qū)氣象條件變化和人為排放對(duì)夏季臭氧水平的貢獻(xiàn)，結(jié)果表明，氣象對(duì)臭氧趨勢(shì)的影響因地區(qū)和年份而異，在中國(guó)東部城市，氣象條件對(duì)臭氧濃度的影響比人為排放變化的影響更顯著；風(fēng)場(chǎng)的變化對(duì)中國(guó)許多地區(qū)地面臭氧的增加有顯著的貢獻(xiàn)。

盡管目前已有大量研究分析了氣象條件對(duì)近地面臭氧濃度及其變化的影響，但中國(guó)幅員遼闊，氣候背景、氣象條件、地形地貌等都有很大差距，大氣污染狀況、污染成因、輸送機(jī)制等也各不相同。福建省夏季持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，多晴熱、高溫、強(qiáng)輻射天氣，沿海地區(qū)夏季首要污染物多為臭氧（O3）。以福州市為例，2013—2016年，福州市大氣污染以顆粒物污染為主；而從 2017年起，臭氧濃度明顯上升，且首要污染物連續(xù)3年均為臭氧，臭氧污染已成為福州市繼大氣顆粒物污染之后面臨的主要大氣環(huán)境問(wèn)題。本研究利用環(huán)保部門(mén)公開(kāi)發(fā)布的大氣成分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合氣象資料，分析了福州市夏季O3污染特征和典型污染過(guò)程，重點(diǎn)關(guān)注氣象條件對(duì)O3污染的影響，以期為近地層O3污染控制、O3濃度預(yù)報(bào)預(yù)警提供科學(xué)參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)

空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站“全國(guó)城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)”（http://113.108.142.147:20045/emcpublish）。福州市共有6個(gè)國(guó)控點(diǎn)，其中師大、五四北路、楊橋西路、紫陽(yáng)和鼓山為城市站點(diǎn)，九龍為背景站點(diǎn)。數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，為確保數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的有效性，參考GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》、HJ 633—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI) 技術(shù)規(guī)定》和HJ 663—2013《環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(試行)》等標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了如下質(zhì)量控制：8 h平均至少有6個(gè)小時(shí)平均濃度值，否則視為無(wú)效。自然日內(nèi)臭氧日最大 8 h平均濃度（ρ(O3-8h)）有效性規(guī)定當(dāng)日08:00—24:00至少有14個(gè)有效的8 h平均濃度值。2017年，福州市ρ(O3-8h)有效樣本數(shù)量為347。

1.2 氣象數(shù)據(jù)

氣象資料主要來(lái)源于，（1）福州國(guó)家基準(zhǔn)氣象站提供的地面氣象數(shù)據(jù)；（2）中國(guó)氣象局公開(kāi)發(fā)布的中國(guó)陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)（CLDAS）中的短波輻射同化數(shù)據(jù)（http://data.cma.cn/）；（3）氣團(tuán)軌跡模擬采用了NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration，美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局）HYSPLIT4軌跡模式（Draxlerand Hess，1997），初始?xì)庀髨?chǎng)為 NCEP（National Centers for Environmental Prediction，美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心）(https://ready.arl.noaa.gov/HYSPLIT.php)、GDAS（Global Data Assimilation System）0.5°×0.5°全球數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)資料(https://rda.ucar.edu/datasets/ds083.3/）；（4）高空氣象場(chǎng)采用了 NCEP FNL 1°×1°全球再分析資料（final analyses data)(http://dss.ucar.edu/datasets/ds083.2）。

根據(jù)《中華人民共和國(guó)氣候圖集》的四季起止期標(biāo)準(zhǔn)，侯平均氣溫≥22 ℃即進(jìn)入夏季，按照這一標(biāo)準(zhǔn)，2017年，福州市的夏季約從每年5月持續(xù)至9月，本文選取2017年5—9月為研究時(shí)段，分析氣象條件對(duì)福州市夏季臭氧濃度的影響及污染特征。

2 結(jié)果與討論

2.1 O3總體分布特征及其與氣象因子的關(guān)系

2017年，福州市ρ(O3-8h)有142 d良，14 d輕度污染；臭氧1 h平均濃度ρ(O3)有121時(shí)次良，25時(shí)次輕度污染。結(jié)合近年來(lái)關(guān)于臭氧時(shí)空分布的研究（Yin et al.，2019b；Li et al.，2020；Liu et al.，2020）可知，福州市夏季ρ(O3-8h)與華南地區(qū)的平均濃度相當(dāng)，普遍低于華北和華東。在華南地區(qū)，珠三角城市群夏季臭氧污染最嚴(yán)重，其次是福建中南部沿海，其中大中城市的近地面臭氧污染與人為排放關(guān)系密切（Fu et al.，2012）。根據(jù)福建省環(huán)境保護(hù)廳發(fā)布的“城市環(huán)境空氣質(zhì)量通報(bào)”（http://www.fjepb.gov.cn/zwgk/kjjc/hjzl/），2017年5—9月，福州市首要污染物均為 O3。臭氧空氣質(zhì)量分指數(shù)IAQIO3達(dá)到或超過(guò)二級(jí)的情況有87.8%發(fā)生在5—9月。表1為5—7月氣溫、短波輻射強(qiáng)度與臭氧濃度的月平均分布情況，可以看到，7、8月平均氣溫、日最高氣溫的平均值和短波輻射平均值在數(shù)值上相當(dāng)，是全年最高的月份，二者小時(shí)臭氧濃度的最高值、ρ(O3-8h)的月平均值也是全年最高，超標(biāo)天數(shù)均為4 d，共占了全年超標(biāo)天數(shù)的57.1%，IAQIO3二級(jí)以上比例分別為 67.8%和 54.8%。5月是夏季平均氣溫、最高氣溫、短波輻射最低的月份，而其臭氧濃度的最高值、ρ(O3-8h)的月平均值卻僅次于7、8兩月，超標(biāo)率也較高，5月處于春夏之交，除卻太陽(yáng)輻射和氣溫對(duì) O3生成的直接影響外，擴(kuò)散條件也對(duì)近地面臭氧濃度有顯著影響。2017年6月降水量和降水日異常偏多，而氣溫、日照低于常年同期水平，臭氧優(yōu)良率高，空氣質(zhì)量較好。

作為光化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物，對(duì)流層臭氧濃度除了受其前體物（NOx、VOCs、CO等）的直接影響外，氣象條件對(duì)臭氧的形成、轉(zhuǎn)化和擴(kuò)散也起著重要作用。表2統(tǒng)計(jì)了5—9月福州市臭氧濃度與主要?dú)庀笠氐南嚓P(guān)系數(shù)（r）和顯著性水平（P），采用逐時(shí)數(shù)據(jù)，各要素的統(tǒng)計(jì)樣本量（n）均為3646。結(jié)果顯示，ρ(O3)與相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)最大（r=?0.596，P＜0.001）；與短波輻射、氣溫和風(fēng)速為正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為 0.537、0.401和 0.365（P＜0.01）；與水平能見(jiàn)度的相關(guān)系數(shù)僅為0.070；與降水量則無(wú)線性相關(guān)。短波輻射和氣溫有明顯日變化特征，且對(duì)光化學(xué)反應(yīng)速率有直接影響，在2.2節(jié)中分析了氣溫和太陽(yáng)輻射對(duì) O3濃度的影響。而相對(duì)濕度和風(fēng)向風(fēng)速對(duì)臭氧污染造成的影響，在2.4節(jié)中結(jié)合污染個(gè)例進(jìn)行分析。

2.2 氣溫和太陽(yáng)輻射對(duì)O3濃度的影響

為了解O3光化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程，以及氣溫、輻射對(duì)其生成的影響，分別對(duì)5—9月O3增加速率d[ρ(O3)]、ρ(O3)、氣溫和短波輻射日變化特征的平均態(tài)進(jìn)行分析。圖 1對(duì)研究時(shí)段內(nèi)d[ρ(O3)]、ρ(O3)和氣溫的逐時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行了日變化分析。由圖1a可知，從06:00起，ρ(O3)開(kāi)始有微弱增加，08:00增長(zhǎng)速率加快，09:00—12:00是全天增長(zhǎng)速率最快的時(shí)段（16.5—18.3 μg·m?3·h?1），ρ(O3)在 14:00 達(dá)到日最大值；隨后開(kāi)始降低，17:00—19:00時(shí)下降速率最快，23:00起d[ρ(O3)]變化很小，06:00最低。結(jié)合氣溫和短波輻射的日變化分析（圖1b和圖2a），ρ(O3)與氣溫日變化趨勢(shì)一致，白天的增長(zhǎng)受太陽(yáng)短波輻射影響顯著。

表1 5—9月氣溫、日最高氣溫、短波輻射強(qiáng)度與ρ(O3-8 h)月平均分布，逐時(shí)臭氧質(zhì)量濃度范圍，IAQIO3二級(jí)以上比例，以及超標(biāo)天數(shù)Table 1 The average monthly of temperature，daily maximum temperature，shortwave radiation and ρ(O3-8 h). The range of ρ(O3)，the ratio of IAQIO3≥2，and the exceeded days from May to Sep.

表2 5—9月臭氧質(zhì)量濃度與主要?dú)庀笠氐南嚓P(guān)系數(shù)和顯著性水平Table 2 The correlation coefficients and significance level between ρ(O3) and major meteorology parameters from May to Sep.

圖1 ρ(O3)（a）和氣溫（b）日變化特征Fig. 1 Diurnal variation of ρ(O3) (a) and temperature (b)

圖2 不同天氣條件下ρ(O3)和短波輻射強(qiáng)度（λ）的日變化特征Fig. 2 Diurnal variation trend of ρ(O3) and shortwave radiation in different weathers

考慮到不同天氣條件對(duì)臭氧生成的影響，分析了不同天氣下ρ(O3)的日變化特征（06:00—19:00）（圖2）。結(jié)果顯示，不同天氣條件下的短波輻射強(qiáng)度有著明顯差別，晴天短波輻射最強(qiáng)；多云天氣下白天短波輻射比晴天低8.2%；陰天的短波輻射較晴天低30.1%；降水天氣則比晴天低47.9%。與之相呼應(yīng)，白天ρ(O3)的平均值在晴天最高，多云、陰天、和雨天依次遞減；分別比晴天低 10.2%、19.5%和34.7%。

2.3 O3濃度的站點(diǎn)差異

5—9月，福州市5個(gè)城市站點(diǎn)ρ(O3-8h)的平均值從高到低依次為鼓山、楊橋西路、師大、五四北路、紫陽(yáng)質(zhì)量濃度分別為 122、117、112、104、100 μg·m?3，九龍背景點(diǎn)的ρ(O3-8h)為 109 μg·m?3，除鼓山站點(diǎn)外，其他4個(gè)城市站點(diǎn)ρ(O3-8h)與背景點(diǎn)的質(zhì)量濃度差別不大（差距低于9%），而這4個(gè)點(diǎn)的ρ(NO2)卻比背景點(diǎn)高出64%到1倍（表3），站點(diǎn)NO2濃度差異對(duì)ρ(O3-8h)并無(wú)顯著影響。從地理位置看（圖3），福州市6個(gè)監(jiān)測(cè)站呈東西向帶狀分布，位于福州市區(qū)東側(cè)、南側(cè)的閩侯、長(zhǎng)樂(lè)、福清等區(qū)縣是福州市工業(yè)排放源的主要聚集地，集中了鋼鐵、紡織印染、化工、玻璃、建材、電力、航運(yùn)等產(chǎn)業(yè)，存在相對(duì)較高濃度氮氧化物和 VOCs排放，中午前后在高溫、高輻射天氣下，大量臭氧快速生成；受季節(jié)變化影響，福州夏季盛行東南風(fēng)，從閩侯、長(zhǎng)樂(lè)、福清等地吹向福州市區(qū)，帶著工業(yè)區(qū)生成的O3，伴隨高效的水平輸送與湍流活動(dòng)，迅速與本地生成的O3混合。因此，東南風(fēng)輸送帶來(lái)工業(yè)區(qū)的O3弱化了本地光化學(xué)反應(yīng)對(duì)O3生成的貢獻(xiàn)，站點(diǎn)間ρ(O3-8h)并無(wú)顯著差別。

表3 5—9月ρ(O3-8 h)和ρ(NO2)的平均值Table 3 Average of ρ(O3-8 h) and ρ(NO2) in May-Sep. μg·m?3

2.4 福州市臭氧污染成因分析

福州市總體空氣質(zhì)量較好，前體物濃度不高，O3生成能力有限，夏季以良為主，污染事件的發(fā)生很大程度上受到氣象因子的促發(fā)。2017年5—9月，福州市共經(jīng)歷了5次臭氧輕度污染過(guò)程（表4）。其中，2017年6月降水顯著高于常年同期，而氣溫顯著低于常年同期，輻射偏少，且沒(méi)有臭氧污染的發(fā)生，因此本節(jié)討論均以5月和7—9月數(shù)據(jù)為樣本，暫不討論6月的臭氧濃度。5月福州市處于春夏之交，氣溫和輻射均低于7—9月，臭氧污染形成的契機(jī)與盛夏季節(jié)有明顯不同，在此分別討論春夏之交和盛夏季節(jié)的臭氧污染。

圖3 福州市環(huán)境監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布圖Fig. 3 Distribution of environmental monitoring station in Fuzhou

表4 2017年5—9月福州市臭氧污染過(guò)程Table 4 Ozone pollution processes from May to Sep. 2017 in Fuzhou

2.4.1 春夏之交臭氧污染

5月處于春夏之交，多西南急流、低渦、切變等天氣系統(tǒng)帶來(lái)的降水過(guò)程，同時(shí)副熱帶高壓逐漸西進(jìn)北抬，影響和控制福建，氣溫逐漸升高，開(kāi)始晴熱天氣。在這一系統(tǒng)交替轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，降水結(jié)束之后，一方面氣溫回升，白天臭氧光化學(xué)反應(yīng)活躍；另一方面，與盛夏季節(jié)相比，福州5月的空氣污染氣象條件相對(duì)較差：小風(fēng)、有一定相對(duì)濕度、多云，混合層高度比夏季其他月份（7—9月，6月除外）低100—230 m。在這樣的天氣背景下，無(wú)降水日白天臭氧濃度升高，而夜晨回落速率較慢，如果再遇到不利于臭氧擴(kuò)散的局地條件或小范圍輸送，則易發(fā)生臭氧污染。

以5月27日污染過(guò)程為例，5月25日，高空槽、低層切變?nèi)牒：笥陝?shì)漸歇，26日起相對(duì)濕度變小，天氣晴到多云，氣溫略有回升，太陽(yáng)輻射升高，氣象條件有利于臭氧生成，26—29日，臭氧濃度以良為主，個(gè)別時(shí)次輕度污染，其中，27日出現(xiàn)了ρ(O3-8h)輕度污染。在這一過(guò)程中，從環(huán)流形勢(shì)和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度方面分析，27日并沒(méi)有特別優(yōu)于其他天的臭氧生成條件，輸送具有相當(dāng)貢獻(xiàn)。

圖4 臭氧濃度時(shí)序圖Fig. 4 Time series of ρ(O3)

圖5 26日14:00（a）、20:00（b）、27日08:00（c）925 hPa天氣圖和27日05:00福州市36 h后向軌跡圖（兩條軌跡高度分別為50 m (左)和100 m (右)，填色部分為26日20:00 ρ(O3)）（d）Fig. 5 925 hPa weather maps were at 14:00 (a) 20:00 (b) on 26th，and 08:00 on 27th (c). 36hrs backward trajectories started at 05:00 on 27th (trajectories were at 50 m (left) and 100 m (right) respectively)，and color shading represented ρ(O3) at 20:00 on 26th) (d)

臭氧濃度時(shí)序圖（圖4a）顯示，26日夜間到27日凌晨，福州市臭氧濃度異常上升，05:00出現(xiàn)了一個(gè)次高峰（125.0 μg·m?3）。從 925 hPa 天氣圖（圖5a—c）上可以看到，26日14:00左右，臺(tái)灣海峽東側(cè)形成一個(gè)局地弱輻合并向西移動(dòng)，福建東部沿海處于氣旋南側(cè)低壓槽中，一直持續(xù)到27日08:00。受北偏東氣流影響，來(lái)自上風(fēng)方向的大氣污染物可能會(huì)向福建沿海輸送。在此以溫州代表上游城市，寧德、福州和廈門(mén)分別代表海峽西岸北部、中部和南部沿海城市，可以看到，26日位于上游地區(qū)的溫州臭氧濃度顯著高于福建沿海；在臭氧濃度下降最快的傍晚前后，這4個(gè)城市ρ(O3)變化緩慢甚至略有上升，不符合日變化規(guī)律；入夜后，溫州市臭氧濃度迅速降低；午夜之后，臭氧濃度本該以緩慢降低的趨勢(shì)發(fā)展，而26日夜間到27日凌晨，寧德、福州和廈門(mén)的臭氧濃度分別在23:00、00:00和01:00自北而南開(kāi)始上升，一直持續(xù)到05:00、06:00，日出之前略有回落。排除夜間臭氧生成的可能，結(jié)合925 hPa天氣圖和后向軌跡分析（圖5），上風(fēng)向高濃度臭氧很可能隨偏北風(fēng)輸送至福建沿海造成了這一時(shí)段臭氧濃度的上升。

27日，日出之后，臭氧在前一夜較高濃度的基礎(chǔ)上一路攀升，11:00ρ(O3))已達(dá)到輕度污染。依照臭氧日變化規(guī)律，ρ(O3)通常在14:00達(dá)到當(dāng)日的峰值，而27日這天，ρ(O3)在14:00略微降低后濃度繼續(xù)上升，持續(xù)到 17:00 才達(dá)到當(dāng)日峰值（212.8 μg·m?3）。結(jié)合風(fēng)廓線雷達(dá)反演結(jié)果可以看到（圖6），27日水平風(fēng)較小，天氣相對(duì)靜穩(wěn)；下午到傍晚時(shí)段，邊界層出現(xiàn)了下沉氣流，這會(huì)導(dǎo)致臭氧一方面無(wú)法迅速擴(kuò)散，另一方面，空中臭氧向下輸送使得近地面臭氧濃度繼續(xù)升高，污染進(jìn)一步加劇，日落之后才逐漸回落。隨后28、29兩日沒(méi)有其他外部因素的影響，臭氧濃度逐步回落到平均水平，AQI以良為主。30日起，西南氣流加強(qiáng)，水汽增多，降水漸至，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)優(yōu)。

綜上，5月27日的污染過(guò)程中，晴好天氣為臭氧生成提供了良好的氣溫和輻射條件；而 27日凌晨偏北氣流帶來(lái)的區(qū)域輸送以及下午到傍晚時(shí)段下沉氣流的垂直輸送更是造成這次臭氧輕度污染的主要貢獻(xiàn)者。

2.4.2 盛夏臭氧污染

7—9月，完全進(jìn)入夏季后，一方面高溫和強(qiáng)輻射為臭氧生成提供了優(yōu)越的氣候環(huán)境，常出現(xiàn)午后ρ(O3)個(gè)別時(shí)次輕度污染；另一方面由于近地面 NOx和CO等前體物濃度不高，臭氧生成能力有限，加之夏季湍流交換活躍，非常有利于污染物擴(kuò)散，每日最大8 h滑動(dòng)平均濃度能夠達(dá)到輕度污染的情況很少。7—9月ρ(O3-8h)以良為主（50%），其次是優(yōu)（39%），而輕度污染過(guò)程僅有4例，占11%。連續(xù)數(shù)日的高溫、強(qiáng)輻射、較高濃度前體物、局地輸送、相對(duì)靜穩(wěn)等因素的結(jié)合才共同造成了為數(shù)不多的8 h臭氧輕度污染。2017年7月福州僅有29—31日3個(gè)降水日，其余28 d均為無(wú)降水日，長(zhǎng)時(shí)間處于高溫、高輻射天氣，因此本節(jié)以7月為例分析夏季臭氧污染形成的可能原因。短波輻射日均值（Rave）和最大值（Rmax）與ρ(O3-8h)顯著相關(guān)，樣本量、相關(guān)系數(shù)和顯著性分別為（r1=0.56，P1=0.002，n=31），（r2=0.58，P2=0.001，n=31），考慮到短波輻射日較差很大，且其最大值與ρ(O3-8h)相關(guān)性更好，因此以下關(guān)于太陽(yáng)輻射對(duì)臭氧污染的影響均以短波輻射最大值為代表。

圖6 福州市風(fēng)廓線雷達(dá)反演垂直剖面圖Fig. 6 Vertical profile of wind profile radar in Fuzhou

2017年7月無(wú)降水日，臭氧濃度、NO2濃度、每日最高氣溫、每日短波輻射最大值的月均值分別為ρ(O3-8h)=117.0 μg·m?3，ρ(NO2)=23.4 μg·m?3、tmax=35.8 ℃和Rmax=907 W·m?2（圖 7）。白天 NO2為臭氧生成提供了重要“原料”，臭氧的生成過(guò)程消耗了大量氮氧化物，二者日變化呈現(xiàn)為此消彼長(zhǎng)的趨勢(shì)（圖 8）；充足的前體物供應(yīng)才有可能帶來(lái)高濃度臭氧，從時(shí)序圖上看，ρ(O3-8h)與ρ(NO2)的日均值呈正相關(guān)（r=0.59，P=0.001，n=28）（圖7）。同時(shí)，ρ(O3-8h)還與Rmax（r=0.58，P=0.001，n=28）和Tmax（r=0.79，P＜0.001，n=28）兩個(gè)氣象要素呈正相關(guān)。在Rmax≤900 W·m?2的樣本中（n=11），ρ(O3-8h)均小于100 μg·m?3，無(wú)8 h 臭氧污染（圖7）。單獨(dú)某日的高溫、強(qiáng)輻射和高濃度前體物并不足以讓?duì)?O3-8h)達(dá)到污染狀態(tài)（如7月11、19日）；只有持續(xù)數(shù)日的高溫、強(qiáng)輻射和高濃度NO2，使得ρ(O3-8h)逐日攀升才有可能達(dá)到輕度污染（19—21、24—27日）。然而，7月11—15日，同樣是高溫、強(qiáng)輻射和高濃度NO2天氣，ρ(O3-8h)卻沒(méi)能達(dá)到輕度污染級(jí)別。在此，將11—15、19—21、24—27日分為3個(gè)時(shí)期（P1、P2、P3），討論擴(kuò)散條件對(duì)ρ(O3-8h)的可能影響。

圖7 2017年7月（無(wú)降水日）ρ(O3-8 h)，ρ(NO2)，最高氣溫，最強(qiáng)短波輻射日均值（輻射標(biāo)記線中，藍(lán)色標(biāo)記點(diǎn)代表Rmax≤900，紅色標(biāo)記點(diǎn)代表Rmax＞900；臭氧質(zhì)量濃度直方圖中，紅色所示為超標(biāo)日）Fig. 7 The daily average of ρ(O3-8 h)，ρ(NO2)，Tmax and Rmax in July，2017 (non-precipitation) (Blue points represent Rmax≤900 and red points represent Rmax＞900.Red histograms represent the exceeding days of ρ(O3-8 h))

圖8 ρ(O3)和ρ(NO2)的日變化特征Fig. 8 Diurnal variation of ρ(O3) and ρ(NO2)

圖9顯示了臭氧濃度與水平風(fēng)速之間的關(guān)系，分為4組不同時(shí)期：其中圖9（a—c）為7月無(wú)降水日的臭氧風(fēng)玫瑰圖，分別顯示了全日時(shí)段（24 h）（圖9a）、白天（08:00—20:00）（圖9b）和夜間（20:00—08:00）（圖 9c）；圖 9（d—f）、（h—j）、（k—m）分別為P1、P2和P3時(shí)期全天、白天和夜間臭氧風(fēng)玫瑰圖。上文提到，同樣是連續(xù)數(shù)日高溫、強(qiáng)輻射、高濃度 NO2、無(wú)降水等有利于臭氧生成的條件下，P1期間無(wú)ρ(O3-8h)污染，而P2、P3期間ρ(O3-8h)達(dá)到輕度污染。從盛夏季節(jié)臭氧濃度和水平風(fēng)的平均態(tài)可以看到，福州夏季盛行東南風(fēng)，白天高濃度臭氧常伴隨東南風(fēng)輸送，臭氧濃度高值區(qū)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速集中在 2—4 m·s?1和 4—6 m·s?1兩個(gè)區(qū)間，風(fēng)向以東南風(fēng)為主（90°—180°居多，其次是 180°—225°）；其他象限高濃度臭氧對(duì)應(yīng)的風(fēng)速相對(duì)較小（＜3 m·s?1），是污染物累積所致（圖9b）。夜間，臭氧濃度迅速降低，風(fēng)速是影響臭氧能否迅速擴(kuò)散的重要因素，其中小風(fēng)區(qū)（＜2 m·s?1）臭氧濃度相對(duì)較高，其次是 2—4 m·s?1風(fēng)速區(qū)間，大于 4 m·s?1的風(fēng)速區(qū)間臭氧迅速擴(kuò)散，其質(zhì)量濃度常小于 30 μg·m?3（圖 9c）。P1 期間，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)向（圖9d），白天臭氧濃度隨風(fēng)速增加略有降低，但梯度不大（圖9e），夜間臭氧濃度則迅速降低，沒(méi)有累積（圖9f），未能達(dá)到污染狀態(tài)。P2和P3期間仍以東南風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，臭氧隨風(fēng)速大小變化明顯：P2期間白天高濃度臭氧主要集中在小風(fēng)區(qū)，其次是2—4 m·s?1風(fēng)速區(qū)間；P3期間高臭氧濃度主要集中在 2—4 m·s?1風(fēng)速區(qū)間；二者在＞4 m·s?1的風(fēng)速區(qū)間臭氧濃度都相對(duì)較低（圖9h—i，k—l）；夜間風(fēng)速總體較小，擴(kuò)散條件一般，使得臭氧有所累積（圖9j、m）。臭氧在白天大量生成，而夜間無(wú)法迅速降低有效擴(kuò)散，ρ(O3-8h)逐日升高，連續(xù)3—4日之后，達(dá)到污染級(jí)別。

圖9 臭氧濃度風(fēng)玫瑰圖Fig. 9 Wind rose map of ρ(O3)

綜上，盛夏季節(jié)8 h臭氧污染的發(fā)生是多因子綜合作用的結(jié)果，多發(fā)于持續(xù)高溫晴熱天氣下，大氣擴(kuò)散條件一般且ρ(NO2)相對(duì)較高，白天，2—4 m·s?1風(fēng)速區(qū)間的東南風(fēng)輸送有利于城區(qū)高濃度臭氧的產(chǎn)生和累積，夜間的小風(fēng)使得臭氧無(wú)法快速耗散，在逐日攀升中逐漸達(dá)到污染級(jí)別。

3 結(jié)論

（1）2017年，福州市ρ(O3-8h)有142 d良，14 d輕度污染，主要集中在5—9月。一半以上污染天氣的首要污染物為臭氧，臭氧已成為福州市的主要大氣環(huán)境問(wèn)題。

（2）氣溫和太陽(yáng)短波輻射對(duì)臭氧生成有顯著影響。云量和降水通過(guò)影響到達(dá)地面的短波輻射間接影響近地面臭氧生成，不同天氣下白天的臭氧濃度有明顯區(qū)別，在晴天最高，多云、陰天、和雨天的臭氧濃度分別比晴天低10.2%、19.5%和34.7%。

（3）福州市整體空氣質(zhì)量良好，臭氧前體物濃度較低，臭氧生成能力有限，污染等級(jí)以良為主。

（4）福州市區(qū)夏季臭氧濃度受盛行風(fēng)向的輸送影響顯著：位于市區(qū)東南側(cè)工業(yè)區(qū)較高濃度的臭氧隨盛行東南風(fēng)向市區(qū)輸送，是盛夏季節(jié)臭氧污染的重要?dú)庀笠蛩?。建議在臭氧污染防治工作中推進(jìn)工業(yè)治污減排和優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，減少工業(yè)污染源排放；同時(shí)，在中長(zhǎng)期產(chǎn)業(yè)布局中減少在福州市區(qū)東側(cè)、南側(cè)的閩侯、長(zhǎng)樂(lè)、福清等區(qū)縣布設(shè)重污染企業(yè)。