福州市典型天氣形勢或污染過程下空氣質(zhì)量特征分析

龍小燕

(福建省福州環(huán)境監(jiān)測中心站，福建 福州 350100)

污染物濃度升高有時并非單一天氣成因，常是多種原因聯(lián)合造成，因此分類分型研究大氣污染特征有助于對污染的把控和防治。王宏等[1]將福州市O3超標天氣類型分為光化學反應(yīng)型、本地積累型、水平輸送型和垂直輸送型。常爐予等[2]研究了大氣污染的客觀環(huán)流分型，分為高壓底部、副高西北側(cè)、均壓場、低壓北側(cè)、副高控制、低壓東側(cè)、西高東低、低壓西側(cè)等8種類型。柳草等[3]統(tǒng)計了環(huán)流型對武漢市O3濃度的影響，分為O3超標環(huán)流型和O3清除環(huán)流型兩大類。張浩月等[4]研究了珠三角地區(qū)秋季典型氣象條件冷空氣過境前后O3和PM10的污染特征，在冷空氣主導風向下，主要造成西南部地區(qū)污染。周述學等[5]采用聚類分析對長三角西部地區(qū)PM2.5輸送軌跡進行分類，研究了近地層和邊界層中上部的輸送路徑。

福州市是東南沿海重點城市之一，地處閩江下游，東臨太平洋，與我國臺灣隔海相望，屬于典型的河口盆地。由于特殊的地理環(huán)境，福州市O3和顆粒物污染與副熱帶高壓、季風環(huán)流、臺風、海陸風、河谷風等氣象因素的關(guān)系具有典型的多樣性特征。本文研究了近幾年福州市六種典型情況下空氣質(zhì)量特征，以期對福州市“十四五”期間大氣污染防治、空氣質(zhì)量持續(xù)改善、空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警提供科學依據(jù)。

1 資料與方法

污染物六參數(shù)(PM10、PM2.5、O3、CO、SO2、NO2)濃度資料選取2020年1月1日～2021年5月31日分布于福州市的6個國控站點(五四北路、楊橋西路、紫陽、師大、九龍和吳航，其中吳航站點2021年1月1日起納入考核)小時均值和日均值，其中O3日評價為日最大8小時滑動平均值。

參照《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB3095-2012)、《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ633-2012)和《環(huán)境空氣質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ663-2012)等標準，將各污染物進行評價分級。

氣象數(shù)據(jù)以及組分分析等資料來自福州市大氣超級站相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)。天氣形勢圖來自中央氣象臺(http://www.nmc.cn)，臺風數(shù)據(jù)來自臺風路徑實時發(fā)布系統(tǒng)(http://typhoon.zjwater.gov.cn)，污染物全國分布圖來自真氣網(wǎng)(http://www.aqistudy.cn)。

本文統(tǒng)計分析選用Origin2017和Excel 2003等軟件分析處理數(shù)據(jù)。

2 天氣情況概述

2.1 冷空氣過境

每年冬半年，經(jīng)西伯利亞等寒帶地區(qū)的冷高壓南下[6]，影響東亞地區(qū)。從500hPa天氣圖可見，當高空槽從我國新疆或內(nèi)蒙古東移南下，我國大范圍地區(qū)受到冷空氣影響，降溫或者伴隨降雨。冬半年(即秋末至春初)，福州市約每3～10天受一次強弱不等的冷空氣影響，氣象條件改變，原有大氣穩(wěn)定層結(jié)被破壞[7]，空氣中污染物濃度波動。

個例分析： 2020年3月20-23日福州市出現(xiàn)一次冷空氣過境并東移入海的過程，詳見圖1。

(a)500hPa高空圖 (b)地面形勢圖

圖3 2020年3月20日-23日PM2.5離子組分濃度時序圖

(a)氣象參數(shù)時序圖

(b)污染物濃度時序圖

3月20日至22日午間，隨著白天氣溫逐日升高，輻射逐日增強，O3日最高濃度逐日增加，在3月22日14時達到峰值154μg/m3，且日變化趨勢呈明顯單峰型，屬于本地生成，夜間雖然擴散不利，但NOx濃度高，夜間滴定作用明顯，O3濃度降至較低。

階段二：3月22日午后，冷空氣抵達，氣壓升高，風速達到2.6m/s，氣溫下降，并在21時出現(xiàn)10.8mm短時降雨，擴散條件變好。NO2、PM10和PM2.5濃度降至較低，被風雨清除，但風力增加和短時降雨并未對O3起到明顯清除作用，在3月23日凌晨3時出現(xiàn)二次峰，O3濃度仍高達105μg/m3，這是因為夜間NOx被清除而滴定作用不明顯，且存在冷空氣入侵引起的O3輸送。王宏等[1]和陳艷[9]也得到相似的研究結(jié)果，而潘文琪等[10]發(fā)現(xiàn)，高空槽的發(fā)展引起對流層折疊，將高空O3向下輸送，也印證了這一推斷。

2.2 沙塵暴南下

每年春季是我國沙塵暴高發(fā)季節(jié)，沙塵經(jīng)蒙古國、我國內(nèi)蒙和西北地區(qū)，隨著冷空氣東移南下，影響我國大部分地區(qū)，影響范圍和強度存在差異。部分較強沙塵暴經(jīng)華北、華東抵達福建[11]，影響福州。

個例分析： 2021年4月17-18日福州市受沙塵暴影響。

(a)4月16日5時 (b)4月17日5時 (c)4月17日5時

圖5 4月17-18日福州市顆粒物激光雷達退偏振比圖

圖6 2021年4月17-18日福州市顆粒物和O3濃度變化時序圖

2.3 北霾南下

每年冬季，北方采暖容易引發(fā)霧霾，隨著冷空氣南下，將霧霾帶到南方，呈現(xiàn)區(qū)域性傳輸污染[12]。福建省冬季盛行東北季風，霧霾可能從京津冀經(jīng)長三角傳到福州。

個例分析：福州市2020年12月11-14日福州市受霧霾影響。

由圖7可見，12月11日霧霾主要集中在山東、河南和江蘇一帶，12月12日已經(jīng)抵達長三角，影響福建，12月13日霧霾主要影響長三角，福建也處于霧霾之下。冷空氣于12月13日下午抵達福州，霧霾卻在冷空氣抵達前和抵達時分兩次影響福州。首先，12月11日午后，上海PM2.5濃度出現(xiàn)峰值，約在12小時后的12日凌晨，溫州達到峰值；12日上午9時，福州PM2.5濃度達80μg/m3，然后在12月13日凌晨，上海市PM2.5濃度再次出現(xiàn)峰值，13日中午溫州達到峰值，13日晚上21時福州達到64μg/m3。PM10濃度也出現(xiàn)兩次升高過程(圖8a)，但PM2.5/PM10值增加，此次霧霾以PM2.5增加為主。同2.1節(jié)和2.2節(jié)，冷空氣抵達之后，12月13日和14日凌晨O3濃度出現(xiàn)二次峰，此次北霾南下伴隨O3傳輸。

(a)12月11日10時 (b)12月12日10時 (c)12月13日10時

(a)PM10和PM2.5濃度，黑碳儀，能見度儀

2.4 副高

2020年夏季副高與常年同期相比顯著偏大偏強[13]。從2020年500hPa高空圖看出，福州于6月1日第一次進入588等位勢高度線范圍[3]，到11月16日退出588線范圍，夏秋季節(jié)有長達4個半月的時間處于副高及其西北邊緣控制區(qū)。在此期間，平均最高氣溫31.0℃，極值達39.6℃，平均氣壓100.6kPa，平均相對濕度69.8%，平均風速1.5m/s，平均日輻射總量336W/m3。西北太平洋發(fā)生了從2020年2號臺風鸚鵡到第22號臺風環(huán)高共計21個臺風，其中5個在中國登陸?？梢姼备呖刂茣r，尤其是在6～9月，福州市氣溫較高，風速較小，輻射較強[2,6]。

2020年6月1日-11月15日福州市受副高影響期間，空氣質(zhì)量優(yōu)101天，良66天，超標1天，O3共計64天作為首要污染物(含超標日)，而PM10只有3天。O3-8h濃度平均值為94μg/m3，第90百分位數(shù)129μg/m3。而全年O3-8h濃度平均值為91μg/m3，第90百分位數(shù)129μg/m3，較副高期間平均值略低，整體差異不大。常爐予[2]等得出上海市副高控制下O3超標率較高，但柳草等[3]研究發(fā)現(xiàn)，副高條件下，武漢市O3濃度一般，主要是夏季高溫條件下，低空濕度較高，云量較大，云和水汽對太陽輻射起到削減作用。

在此期間，福州市共計50天最高氣溫超過35℃，均在373.7～557.2 W/m3高紫外輻射區(qū)間。1天臭氧超標，27天良，22天為優(yōu)(O3-8h濃度≤100μg/m3)。這22天中，只有8月24日和9月1日午后出現(xiàn)短時降雨，其余均無降雨?？梢妼τ诟Ｖ菔卸裕备呖刂葡?，高溫、強紫外輻射和無降水并不是O3生成積累的充分條件，還與擴散條件以及VOCs和NOx等前體物濃度相關(guān)。王宏等[14]統(tǒng)計2009-2010年福州市O3數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，副高條件下O3平均濃度較高，可見《福建省大氣污染防治行動計劃》和《福建省打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》實施以來，福建省和福州市大力加強O3污染防治，減少前體物的排放，成效顯著。

個例分析：2020年6月16-25日，副高控制，O3濃度較高。

如圖9所示，6月16-25日,福州市平均最高氣溫達35.6℃，平均日輻射總量為439.1W/m2，O3-8h濃度為107～163μg/m3，6月24日O3超標。其中6月21-23日小時峰值達180～183μg/m3，而部分站點小時峰值超過200μg/m3。由O3激光雷達圖(圖10)可見，此階段O3日變化趨勢明顯，呈單峰型，以本地生成為主。白天輻射強、氣溫高，光化學反應(yīng)生成能力強，出現(xiàn)高值，夜間O3被消耗[9]，濃度較低。由圖11可見，此階段高濃度臭氧主要出現(xiàn)在風速在1.5～3m/s的東南風，其次是風速在1～2m/s的西南風，而此期間盛行夏季風，多為“南風天”。

圖9 2020年6月16-25日O3-8h濃度、最高氣溫和紫外輻射總量比較

圖10 2020年6月16-25日O3激光雷達圖

圖11 2020年6月16-25日O3濃度分布和風玫瑰圖

福州市夏季因高溫多發(fā)生午后熱對流性質(zhì)的短時強降雨[15]，6月21日和6月23日午后均發(fā)生強降雨。其中6月21日14時O3濃度為183μg/m3，18時出現(xiàn)短時強降雨27.4mm，迅速降至98μg/m3，6月23日情況相似(圖12)。但6月21日AQI仍然高達97，6月23日降雨提早2小時，AQI為75。6月24日未出現(xiàn)強降雨，13時為175μg/m3，直到20時降至105μg/m3，AQI為103，O3濃度超標?？梢娢绾蟪霈F(xiàn)強降雨對O3的清除作用明顯，但與降雨開始時間密切相關(guān)，降雨較晚，O3-8h濃度仍然可能很高，有超標風險。

圖12 2020年6月21日和6月23日午后出現(xiàn)強降雨O3濃度日變化時序圖

2.5 臺風

福州市地處東南沿海，每年受臺風影響頻繁。不同路徑不同強度臺風對污染物的影響不同，O3濃度表現(xiàn)不同的變化特征，一種是臺風登陸或近大陸臺風帶來風雨影響，大風大雨的清除作用使各項污染物濃度迅速降至低值，空氣質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)[14]。另一種影響為處于臺風外圍區(qū)時受到下沉氣流影響，污染物濃度尤其是O3濃度較高[16]。

個例分析一：2018年08號臺風“瑪利亞”。

“瑪利亞”為17級超強臺風，其路徑如圖13(a)，在美國關(guān)島以東洋面生成，于7月11日9時在福州市連江縣登陸。“瑪利亞”登陸時，福州市區(qū)降水達到大暴雨級別，小時降水最高達22.3mm，風力10～11級。隨著臺風登陸并逐漸向內(nèi)陸深入，福州市在7月11-19日均為陰雨天氣，因風雨的清除作用，期間福州市O3-8h濃度為29～65μg/m3，其他污染物濃度也較低(圖13b)，AQI保持在18～36。

(a) (b)

個例分析二：2021年02號臺風“舒力基”。

“舒力基”為16級超強臺風(圖14)，在菲律賓以東洋面西北而上，經(jīng)臺灣以東洋面向東轉(zhuǎn)向并消失。臺風中心4月21日距福州約1200km，4月22日距福州約900 km，為最近距離， 4月24日距福州約1200km，此期間福州市受臺風外圍下沉氣流影響，O3-8h濃度逐日增加，至4月24日達66μg/m3，15時O3濃度達到131μg/m3。當日福建省沿海城市O3濃度均較高，其中漳州小時峰值高達204μg/m3。從圖15(a)可見，除4月23日凌晨外，此期間O3夜間濃度相對較高，4月24日凌晨2時O3濃度為102μg/m3，2～4km高空多下沉氣流(圖15b)。可見福州市處于臺風外圍時，受下沉氣流影響，擴散較差，夜間多O3殘留。

圖14 202102號臺風“舒力基”路徑圖

(a)O3激光雷達圖

2.6 除夕

個例分析：2021年2月11日(除夕)。

每逢農(nóng)歷新年除夕之夜，人們都要燃放煙花爆竹以示慶賀。2021年2月11日夜間為除夕之夜，從圖16可見，顆粒物在2月11日19時至23時和2月12日0時至6時出現(xiàn)兩次高值區(qū)，2月11日20時PM2.5和PM10濃度分別為105μg/m3和112μg/m3，而在2月12日0時分別為140μg/m3和183μg/m3。PM2.5和PM10濃度非常接近，PM2.5/PM10接近1，部分時段甚至出現(xiàn)倒大，可見煙花爆竹燃放主要產(chǎn)生PM2.5。煙花爆竹燃放區(qū)域性非常明顯，2月11日19時師大站點顆粒物濃度升至較高，達到180μg/m3以上，而2月12日凌晨部分時段五四北路和師大站點顆粒物濃度超過300μg/m3，位于城市東面的九龍和吳航站點顆粒物濃度一直保持在低水平。2月11日PM2.5和PM10濃度日均值分別為20μg/m3和24μg/m3，空氣質(zhì)量為優(yōu)，而2月12日分別為44μg/m3和46μg/m3且首要污染物為PM2.5，AQI為65，可見燃放煙花爆竹導致顆粒物濃度短時急劇上升，超標風險較小。此時段NO2和SO2濃度也出現(xiàn)短時升高，其中師大站點2月12日0時SO2濃度高達94μg/m3。

圖16 2021年2月11日12時-12日12時顆粒物濃度變化時序圖

(a)離子色譜儀

(b)重金屬分析儀

3 結(jié)論

①冷空氣來臨前，悶熱靜穩(wěn)擴散條件差，污染物濃度短暫升高，冷空氣抵達，擴散清除條件較好，NO2、PM10和PM2.5濃度降至較低，冷空氣抵達后帶來O3傳輸，濃度上升。

②冷空氣在春季可能帶來沙塵暴南下，PM10濃度增加，PM2.5/PM10降低，在冬季可能帶來霧霾南下，PM2.5濃度較高，PM2.5/PM10上升，兩種情況均可能伴隨O3傳輸。

③副高控制期間，高溫晴熱輻射強，O3濃度整體較全年略高，但超標率不高。高溫、強紫外輻射和無降水并不是O3生成積累的充分條件，還與擴散條件以及VOCs和NOx等前體物濃度相關(guān)。

④不同路徑不同強度臺風對O3濃度影響不同，一種是臺風登陸或近大陸臺風帶來風雨清除污染物，一種是處于臺風外圍區(qū)下沉氣流影響，O3濃度上升。

⑤除夕夜PM2.5濃度明顯升高，且組分中制作煙花爆竹所需要的元素成分Ba、K、Cu等含量明顯增加。