福州市典型天氣形勢(shì)或污染過(guò)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(cè)中心站，福建 福州 350100)

污染物濃度升高有時(shí)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(duì)污染的把控和防治。王宏等[1]將福州市O3超標(biāo)天氣類型分為光化學(xué)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(chǎng)、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(jì)了環(huán)流型對(duì)武漢市O3濃度的影響，分為O3超標(biāo)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(guò)境前后O3和PM10的污染特征，在冷空氣主導(dǎo)風(fēng)向下，主要造成西南部地區(qū)污染。周述學(xué)等[5]采用聚類分析對(duì)長(zhǎng)三角西部地區(qū)PM2.5輸送軌跡進(jìn)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(diǎn)城市之一，地處閩江下游，東臨太平洋，與我國(guó)臺(tái)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(fēng)環(huán)流、臺(tái)風(fēng)、海陸風(fēng)、河谷風(fēng)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(duì)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(bào)預(yù)警提供科學(xué)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(gè)國(guó)控站點(diǎn)(五四北路、楊橋西路、紫陽(yáng)、師大、九龍和吳航，其中吳航站點(diǎn)2021年1月1日起納入考核)小時(shí)均值和日均值，其中O3日評(píng)價(jià)為日最大8小時(shí)滑動(dòng)平均值。

參照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(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(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ663-2012)等標(biāo)準(zhǔn)，將各污染物進(jìn)行評(píng)價(jià)分級(jí)。

氣象數(shù)據(jù)以及組分分析等資料來(lái)自福州市大氣超級(jí)站相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。天氣形勢(shì)圖來(lái)自中央氣象臺(tái)(http://www.nmc.cn)，臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)來(lái)自臺(tái)風(fēng)路徑實(shí)時(shí)發(fā)布系統(tǒng)(http://typhoon.zjwater.gov.cn)，污染物全國(guó)分布圖來(lái)自真氣網(wǎng)(http://www.aqistudy.cn)。

本文統(tǒng)計(jì)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(guò)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(jiàn)，當(dāng)高空槽從我國(guó)新疆或內(nèi)蒙古東移南下，我國(guó)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(qiáng)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(dòng)。

個(gè)例分析： 2020年3月20-23日福州市出現(xiàn)一次冷空氣過(guò)境并東移入海的過(guò)程，詳見(jiàn)圖1。

(a)500hPa高空?qǐng)D (b)地面形勢(shì)圖

圖3 2020年3月20日-23日PM2.5離子組分濃度時(shí)序圖

(a)氣象參數(shù)時(shí)序圖

(b)污染物濃度時(shí)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(qiáng)，O3日最高濃度逐日增加，在3月22日14時(shí)達(dá)到峰值154μg/m3，且日變化趨勢(shì)呈明顯單峰型，屬于本地生成，夜間雖然擴(kuò)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(dá)，氣壓升高，風(fēng)速達(dá)到2.6m/s，氣溫下降，并在21時(shí)出現(xiàn)10.8mm短時(shí)降雨，擴(kuò)散條件變好。NO2、PM10和PM2.5濃度降至較低，被風(fēng)雨清除，但風(fēng)力增加和短時(shí)降雨并未對(duì)O3起到明顯清除作用，在3月23日凌晨3時(shí)出現(xiàn)二次峰，O3濃度仍高達(dá)105μg/m3，這是因?yàn)橐归gNOx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(duì)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(guó)沙塵暴高發(fā)季節(jié)，沙塵經(jīng)蒙古國(guó)、我國(guó)內(nèi)蒙和西北地區(qū)，隨著冷空氣東移南下，影響我國(guó)大部分地區(qū)，影響范圍和強(qiáng)度存在差異。部分較強(qiáng)沙塵暴經(jīng)華北、華東抵達(dá)福建[11]，影響福州。

個(gè)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(shí) (b)4月17日5時(shí) (c)4月17日5時(shí)

圖5 4月17-18日福州市顆粒物激光雷達(dá)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(shí)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(fēng)，霧霾可能從京津冀經(jīng)長(zhǎng)三角傳到福州。

個(gè)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(jiàn)，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(dá)長(zhǎng)三角，影響福建，12月13日霧霾主要影響長(zhǎng)三角，福建也處于霧霾之下。冷空氣于12月13日下午抵達(dá)福州，霧霾卻在冷空氣抵達(dá)前和抵達(dá)時(shí)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(shí)后的12日凌晨，溫州達(dá)到峰值；12日上午9時(shí)，福州PM2.5濃度達(dá)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(dá)到峰值，13日晚上21時(shí)福州達(dá)到64μg/m3。PM10濃度也出現(xiàn)兩次升高過(guò)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(dá)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(shí) (b)12月12日10時(shí) (c)12月13日10時(shí)

(a)PM10和PM2.5濃度，黑碳儀，能見(jiàn)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(qiáng)[13]。從2020年500hPa高空?qǐng)D看出，福州于6月1日第一次進(jìn)入588等位勢(shì)高度線范圍[3]，到11月16日退出588線范圍，夏秋季節(jié)有長(zhǎng)達(dá)4個(gè)半月的時(shí)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(dá)39.6℃，平均氣壓100.6kPa，平均相對(duì)濕度69.8%，平均風(fēng)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(hào)臺(tái)風(fēng)鸚鵡到第22號(hào)臺(tái)風(fēng)環(huán)高共計(jì)21個(gè)臺(tái)風(fēng)，其中5個(gè)在中國(guó)登陸?？梢?jiàn)副高控制時(shí)，尤其是在6～9月，福州市氣溫較高，風(fēng)速較小，輻射較強(qiáng)[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?jī)?yōu)101天，良66天，超標(biāo)1天，O3共計(jì)64天作為首要污染物(含超標(biāo)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(biāo)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(duì)太陽(yáng)輻射起到削減作用。

在此期間，福州市共計(jì)50天最高氣溫超過(guò)35℃，均在373.7～557.2 W/m3高紫外輻射區(qū)間。1天臭氧超標(biāo)，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(shí)降雨，其余均無(wú)降雨?？梢?jiàn)對(duì)于福州市而言，副高控制下，高溫、強(qiáng)紫外輻射和無(wú)降水并不是O3生成積累的充分條件，還與擴(kuò)散條件以及VOCs和NOx等前體物濃度相關(guān)。王宏等[14]統(tǒng)計(jì)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(jiàn)《福建省大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》和《福建省打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》實(shí)施以來(lái)，福建省和福州市大力加強(qiáng)O3污染防治，減少前體物的排放，成效顯著。

個(gè)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(dá)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(biāo)。其中6月21-23日小時(shí)峰值達(dá)180～183μg/m3，而部分站點(diǎn)小時(shí)峰值超過(guò)200μg/m3。由O3激光雷達(dá)圖(圖10)可見(jiàn)，此階段O3日變化趨勢(shì)明顯，呈單峰型，以本地生成為主。白天輻射強(qiáng)、氣溫高，光化學(xué)反應(yīng)生成能力強(qiáng)，出現(xiàn)高值，夜間O3被消耗[9]，濃度較低。由圖11可見(jiàn)，此階段高濃度臭氧主要出現(xiàn)在風(fēng)速在1.5～3m/s的東南風(fēng)，其次是風(fēng)速在1～2m/s的西南風(fēng)，而此期間盛行夏季風(fēng)，多為“南風(fēng)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(dá)圖

圖11 2020年6月16-25日O3濃度分布和風(fēng)玫瑰圖

福州市夏季因高溫多發(fā)生午后熱對(duì)流性質(zhì)的短時(shí)強(qiáng)降雨[15]，6月21日和6月23日午后均發(fā)生強(qiáng)降雨。其中6月21日14時(shí)O3濃度為183μg/m3，18時(shí)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)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(dá)97，6月23日降雨提早2小時(shí)，AQI為75。6月24日未出現(xiàn)強(qiáng)降雨，13時(shí)為175μg/m3，直到20時(shí)降至105μg/m3，AQI為103，O3濃度超標(biāo)。可見(jiàn)午后出現(xiàn)強(qiáng)降雨對(duì)O3的清除作用明顯，但與降雨開(kāi)始時(shí)間密切相關(guān)，降雨較晚，O3-8h濃度仍然可能很高，有超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。

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

2.5 臺(tái)風(fēng)

福州市地處東南沿海，每年受臺(tái)風(fēng)影響頻繁。不同路徑不同強(qiáng)度臺(tái)風(fēng)對(duì)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(tái)風(fēng)登陸或近大陸臺(tái)風(fēng)帶來(lái)風(fēng)雨影響，大風(fēng)大雨的清除作用使各項(xiàng)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(tái)風(fēng)外圍區(qū)時(shí)受到下沉氣流影響，污染物濃度尤其是O3濃度較高[16]。

個(gè)例分析一：2018年08號(hào)臺(tái)風(fēng)“瑪利亞”。

“瑪利亞”為17級(jí)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，其路徑如圖13(a)，在美國(guó)關(guān)島以東洋面生成，于7月11日9時(shí)在福州市連江縣登陸?！艾斃麃啞钡顷憰r(shí)，福州市區(qū)降水達(dá)到大暴雨級(jí)別，小時(shí)降水最高達(dá)22.3mm，風(fēng)力10～11級(jí)。隨著臺(tái)風(fēng)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(fēng)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(gè)例分析二：2021年02號(hào)臺(tái)風(fēng)“舒力基”。

“舒力基”為16級(jí)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)(圖14)，在菲律賓以東洋面西北而上，經(jīng)臺(tái)灣以東洋面向東轉(zhuǎn)向并消失。臺(tái)風(fēng)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(tái)風(fēng)外圍下沉氣流影響，O3-8h濃度逐日增加，至4月24日達(dá)66μg/m3，15時(shí)O3濃度達(dá)到131μg/m3。當(dāng)日福建省沿海城市O3濃度均較高，其中漳州小時(shí)峰值高達(dá)204μg/m3。從圖15(a)可見(jiàn)，除4月23日凌晨外，此期間O3夜間濃度相對(duì)較高，4月24日凌晨2時(shí)O3濃度為102μg/m3，2～4km高空多下沉氣流(圖15b)。可見(jiàn)福州市處于臺(tái)風(fēng)外圍時(shí)，受下沉氣流影響，擴(kuò)散較差，夜間多O3殘留。

圖14 202102號(hào)臺(tái)風(fēng)“舒力基”路徑圖

(a)O3激光雷達(dá)圖

2.6 除夕

個(gè)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(jiàn)，顆粒物在2月11日19時(shí)至23時(shí)和2月12日0時(shí)至6時(shí)出現(xiàn)兩次高值區(qū)，2月11日20時(shí)PM2.5和PM10濃度分別為105μg/m3和112μg/m3，而在2月12日0時(shí)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(shí)段甚至出現(xiàn)倒大，可見(jiàn)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(shí)師大站點(diǎn)顆粒物濃度升至較高，達(dá)到180μg/m3以上，而2月12日凌晨部分時(shí)段五四北路和師大站點(diǎn)顆粒物濃度超過(guò)300μg/m3，位于城市東面的九龍和吳航站點(diǎn)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(jiàn)燃放煙花爆竹導(dǎo)致顆粒物濃度短時(shí)急劇上升，超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)較小。此時(shí)段NO2和SO2濃度也出現(xiàn)短時(shí)升高，其中師大站點(diǎn)2月12日0時(shí)SO2濃度高達(dá)94μg/m3。

圖16 2021年2月11日12時(shí)-12日12時(shí)顆粒物濃度變化時(shí)序圖

(a)離子色譜儀

(b)重金屬分析儀

3 結(jié)論

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

②冷空氣在春季可能帶來(lái)沙塵暴南下，PM10濃度增加，PM2.5/PM10降低，在冬季可能帶來(lái)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(qiáng)，O3濃度整體較全年略高，但超標(biāo)率不高。高溫、強(qiáng)紫外輻射和無(wú)降水并不是O3生成積累的充分條件，還與擴(kuò)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(qiáng)度臺(tái)風(fēng)對(duì)O3濃度影響不同，一種是臺(tái)風(fēng)登陸或近大陸臺(tái)風(fēng)帶來(lái)風(fēng)雨清除污染物，一種是處于臺(tái)風(fēng)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。