福州市臭氧污染特征及其與氣象因子的相關(guān)性研究

龍小燕

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

隨著“大氣污染防治攻堅戰(zhàn)”和“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”的打響，全國各城市顆粒物污染狀況逐年改善，但臭氧污染問題仍然凸顯，已經(jīng)成為影響全國夏季環(huán)境空氣質(zhì)量的重要因素。李霄陽等[1]研究指出臭氧污染較為嚴(yán)重的地區(qū)主要分布在華北地區(qū)、華中地區(qū)北部、華東地區(qū)北部、東北地區(qū)南部、西北地區(qū)東部、川渝地區(qū)和珠三角地區(qū)。中國北方和南方城市臭氧濃度月變化分別具有顯著的倒“V”和“M”型規(guī)律，且南方地區(qū)超標(biāo)時間跨度較大。王宏等[2]研究表明，福建省沿海城市臭氧濃度高于內(nèi)陸城市，福州、寧德等城市的臭氧濃度在春季達到最高。臭氧濃度升高主要受光化學(xué)反應(yīng)、本地積累、水平輸送和垂直輸送影響。李明華等[3]通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，超標(biāo)天氣多出現(xiàn)在氣溫較高、相對濕度較小、風(fēng)速偏小、云量較少、一般無降水且日照充足的天氣。臭氧超標(biāo)時，氣溫、日照時數(shù)和相對濕度具有更明顯的日變化特征。張麗等[4]指出氣溫與臭氧污染的相關(guān)性最大，結(jié)合氣溫和其它因子進行分類研究，除氣溫以外的單個氣象因子對臭氧超標(biāo)率的影響較小。

福州市作為福建省省會，是東南沿海重點城市之一，地處閩江下游，東臨太平洋，與臺灣省隔海相望，屬于典型的河口盆地。由于特殊的地理環(huán)境，福州市臭氧污染與副熱帶高壓、臺風(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。本文對2018—2020年福州市臭氧污染特征及其與氣象因子的相關(guān)性開展研究，以期為福州市“十四五”期間臭氧污染防治、空氣質(zhì)量持續(xù)改善提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料和方法

本文O3監(jiān)測數(shù)據(jù)選取2018—2020年福州市5個國控環(huán)境空氣自動監(jiān)測站點(五四北路、楊橋西路、紫陽、師大、九龍)O3小時均值和日最大8小時滑動平均值。

氣象資料選取福州市大氣超級站2018—2020年氣溫、紫外輻射、相對濕度、氣壓和風(fēng)向風(fēng)速等相關(guān)氣象數(shù)據(jù)。根據(jù)福建氣候特征，定義春季為3-5月，夏季為6-8月，秋季為9-11月，冬季為12月-次年2月。

參照《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633-2012)，O3的日評價為日最大8小時滑動平均值(以下簡稱O3-8h)；參照《環(huán)境空氣質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ 663-2013)，O3的月評價、季評價和年評價為O3-8h平均濃度(O3-8h-average)，O3-8h第90百分位數(shù)濃度(O3-8h-90per)和O3-8h濃度最大值(O3-8h-max)；參照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095-2012)，O3日最大8小時滑動平均值一級濃度限值為100μg/m3，二級濃度限值為160μg/m3，超過160μg/m3即為O3超標(biāo)。

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

2 臭氧污染特征研究和分析

2.1 臭氧年變化特征

由表1可知，2018—2020年，福州市臭氧污染狀況明顯改善。其中，臭氧一級天數(shù)增長較快，二級天數(shù)先增加后減少，超標(biāo)天數(shù)顯著下降，2019年和2020年O3空氣質(zhì)量優(yōu)良率分別為99.2%和99.5%。福州市2018—2020年O3超標(biāo)均為輕度污染，未出現(xiàn)中度及以上污染等級。O3-8h濃度皆逐年降低，相比2018年，2020年O3-8h年平均濃度下降7.1%，O3-8h年第90百分位數(shù)濃度下降14.6%，O3-8h濃度最大值下降18.9%。

表1 2018—2020年福州市O3不同污染等級天數(shù)對比和年際濃度變化

2.2 臭氧季節(jié)變化特征

從季節(jié)看(圖1)，O3-8h平均濃度和O3-8h濃度最大值均是春季最高，秋季次之，O3-8h年第90百分位數(shù)濃度春秋季持平，夏季略低，冬季各指標(biāo)均最低，與鄭秋萍等[7]統(tǒng)計結(jié)果一致。各季節(jié)高空環(huán)流背景和地面氣象條件不同，故O3濃度差異較大。春季O3-8h濃度最高的原因可能是由于對流層頂折疊引發(fā)平流層和對流層交換，這是春季對流層O3增加的重要來源[8]。隨著冷空氣東移南下，高空槽的發(fā)展，春季對流交換加強，福州市處于高壓底部，對流層頂折疊使高空O3向下垂直傳輸，O3濃度升高[13]。

圖1 2018—2020年福州市O3-8h濃度季節(jié)變化

備注:“↓”代表“減少”，“↑”代表“增加”。

如表2所示，2019年和2020年O3-8h春季平均濃度相較2018年同期分別下降了15.2%和11.9%，O3-8h夏季平均濃度相較2018同期分別下降了15.4%和16.3%，均高于全年平均。而秋季O3-8h平均濃度2019年較2018年增加12%，2020年較2018年減少4.0%，低于全年水平，冬季O3-8h平均濃度2019年較2018年減少4.2%，低于全年水平，2020年不降反升。由此可見，2019年和2020年O3濃度降低主要是春夏季降低，且夏季更為明顯。

表2 福州市不同年份O3-8h平均濃度季節(jié)變化/μg·m-3

2.3 臭氧月變化特征

從O3-8h月平均濃度變化特征(圖2)和O3-8h月第90百分位數(shù)濃度的變化特征(圖3)看，2018—2020年，O3-8h月平均濃度和第90百分位數(shù)濃度均有兩個高峰時段，分別在4-6月和9-10月，全年趨勢呈“M”型，符合東南沿海地區(qū)城市特點[9]，與華南地區(qū)相似[1]，而京津冀等北方地區(qū)O3-8h濃度月變化則呈單峰型[10-11]。從三年平均值看，O3-8h月平均濃度5月和10月最高，為116μg/m3，1月最低，為67μg/m3。而O3-8h第90百分位數(shù)濃度4月和5月最高，為150μg/m3，其次是10月，為146μg/m3，12月最低，為95μg/m3。

圖2 O3-8h月平均濃度變化趨勢

圖3 O3-8h月第90百分位數(shù)濃度變化趨勢

2018—2020年，福州市在1-3月和11-12月均未出現(xiàn)O3超標(biāo)，如圖4所示。2018年O3超標(biāo)天數(shù)最多，在4-10月，每個月均有O3超標(biāo)，最多為5月，共7天。2019年只在9月出現(xiàn)O3超標(biāo)，共3天，而2020年分別在4月和6月各超標(biāo)1天，這兩年均未在氣溫較高的7月和8月出現(xiàn)O3超標(biāo)。

圖4 2018—2020年福州市各月超標(biāo)天數(shù)對比

2.4 臭氧日變化特征

通過不同年份O3濃度的日變化時序圖(圖5)得出，2018—2020年的O3小時濃度年平均日變化趨勢基本一致，均呈單峰型。7-8時降到最低值，隨著白天氣溫升高和輻射加強，早高峰時段臭氧前體物濃度增加[7]，VOCs和NOx光化學(xué)反應(yīng)生成O3的能力逐步加強，不斷生成累積，14時達到最高值，之后隨著光照和紫外輻射減弱，O3濃度逐漸降低[12]。2018—2020年最低值分別為41μg/m3、42μg/m3、43μg/m3，略有上升但不明顯，最高值2018年為105μg/m3，2019年和2020年分別降低到96μg/m3和94μg/m3?？梢?019—2020年O3濃度相比2018年降低，主要體現(xiàn)在白天高值時段的降低。

圖5 2018—2020年福州市O3濃度日變化趨勢

而從不同季節(jié)O3濃度的日變化時序圖(圖6)可知，各季節(jié)O3濃度日變化趨勢相似，均呈單峰型，在高低值和時間節(jié)點上存在一定差異。夏季6時O3濃度值最低，春季和秋季7時值最低，而冬季最低值則出現(xiàn)在8時，這可能受日出時間的影響。夏季和秋季在14時達到最高值，而冬季和春季最高值則出現(xiàn)在15時，略有推后，差別不大。

圖6 福州市不同季節(jié)O3濃度日變化趨勢

秋季晨間最低值較高，為55μg/m3，接下去依次是春季、冬季和夏季，夏季最低值為25μg/m3。這可能是因為夏季夜間氣溫較高，NO滴定作用更明顯。春季午后最高值最高，為113μg/m3，秋季次之，冬季73μg/m3最低。這與O3-8h平均濃度、O3-8h第90百分位數(shù)濃度和O3-8h濃度最大值季節(jié)規(guī)律一致。

3 臭氧和氣象因子關(guān)系分析

表3列出了福州市2018—2020年各常規(guī)氣象因子在不同季節(jié)與O3-8h濃度的Pearson相關(guān)系數(shù)。日紫外輻射總量、日最高氣溫和平均氣溫與O3-8h濃度呈正相關(guān)，且各個季節(jié)相關(guān)性UV>tmax>t，春季的相關(guān)性較強。日平均相對濕度與O3-8h濃度呈明顯負(fù)相關(guān)，夏季相關(guān)性略弱。日平均風(fēng)速與O3-8h濃度除在夏季呈弱負(fù)相關(guān)外，其它季節(jié)均呈一定程度正相關(guān)。在春冬季，日平均氣壓與O3-8h濃度呈弱正相關(guān)，夏秋季則呈弱負(fù)相關(guān)。各因子具體情況下文將詳細(xì)討論。

表3 O3-8h濃度與常規(guī)氣象因子不同季節(jié)Pearson相關(guān)系數(shù)(P<0.05)

總體來看，2018—2020年間除紫外輻射外，各氣象因子年均值相差不大(表4)。2019年氣溫最低，輻射最弱，濕度最高，結(jié)合pearson相關(guān)系數(shù)來看，其氣象條件最不利臭氧生成。2020年氣溫最高，濕度最低，2018年輻射最強，都利于臭氧生成。O3-8h濃度2018年>2019年>2020年，除了因為2018年輻射較強外，還與《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臭氧污染防治，減少生成O3的前體物的排放有關(guān)。

表4 不同年份和不同季節(jié)各氣象因子日均值對比

前文已得出福州市O3-8h濃度大小依次為春季、秋季、夏季、冬季。從不同季節(jié)氣象因子可見(表4)，夏季氣溫最高，輻射最強，氣壓最低，但濕度最高，且午后多對流引發(fā)陣性強降水，影響了O3的生成積累。秋季雖然氣溫高于春季，濕度低于春季，但春季O3濃度更高，除因為春季“對流層折疊”外，還與秋季紫外輻射相對更弱有關(guān)。

3.1 氣溫

因氣溫具有明顯日變化特征，采用日最高氣溫和日平均氣溫來評價氣溫對O3-8h濃度的影響[17]。由表5可知，在最高氣溫tmax<20℃和平均氣溫t<15℃時，未出現(xiàn)超標(biāo)。在tmax≥35℃和25℃≤tmax<30℃以及平均氣溫t≥30℃和20℃≤t<25℃時，O3超標(biāo)率和O3-8h平均濃度較高，而在30℃≤tmax<35℃和25℃≤t<30℃時略低。在25℃≤tmax<30℃和20℃≤t<25℃時超標(biāo)天數(shù)最多。

表5 2018—2020年不同等級氣象因子下各級別天數(shù)、超標(biāo)率和O3-8h濃度統(tǒng)計

續(xù)表

O3在tmax≥35℃超標(biāo)只發(fā)生在2018年，2019年和2020年未出現(xiàn)，而福州市2020年4月的一次超標(biāo)，當(dāng)日最高氣溫為21.7℃，平均氣溫為17.3℃。pearson相關(guān)系數(shù)也顯示出氣溫與O3-8h濃度呈一般正相關(guān)性。由此可得出，氣溫是影響O3生成的重要因子，直接影響光化學(xué)反應(yīng)速率[18]，但不是O3積累超標(biāo)的唯一因子，還與擴散傳輸條件有關(guān)，這與齊艷杰等[16]研究結(jié)果相同。福州市夏季高溫天氣時對流強，上午氣溫高、輻射強，午后多陣性強降水，對O3有明顯的清除作用，可見夏季高溫時段雖然O3生成能力強，但擴散清除條件有時較好，趙偉等[20]也得出了相同的結(jié)論。

3.2 紫外輻射

余忠奇等[14]研究表明太陽輻射對臭氧前體物VOCs和NOx光化學(xué)反應(yīng)生成O3有明顯影響，而pearson相關(guān)系數(shù)得出紫外輻射強度與O3-8h濃度呈較強正相關(guān)性。在日紫外輻射總量<200 W/m2時，未出現(xiàn)O3超標(biāo)，如表5所示。隨著紫外輻射增強，O3-8h平均濃度和超標(biāo)率逐漸升高，但400W/m2≤UV<500W/m2相比300W/m2≤UV<400W/m2，O3二級天數(shù)、超標(biāo)天數(shù)、超標(biāo)率和O3-8h平均濃度均相當(dāng)，略有升高，而UV≥500 W/m2時，未出現(xiàn)超標(biāo)，O3-8h平均濃度甚至降低?？梢?，日紫外輻射總量在400±100 W/m2時，基本能滿足福州市現(xiàn)有生成O3前體物濃度和氣象因子水平下的光化學(xué)反應(yīng)，由于紫外輻射≥500 W/m2樣本數(shù)量較少，O3濃度降低結(jié)果不具有代表性，需要進一步驗證。

3.3 相對濕度

楊健等[18]發(fā)現(xiàn)O3濃度隨相對濕度降低而升高，而表3中pearson相關(guān)系數(shù)證實相對濕度與O3-8h濃度呈明顯負(fù)相關(guān)，從表5也可以得出，隨著日平均相對濕度的降低，O3-8h平均濃度逐漸升高。在RH≥80%時，O3未超標(biāo)，濕度越低超標(biāo)率呈增加趨勢，但50%≤RH<60%超標(biāo)率低于60%≤RH<70%，可能是受到氣溫等氣象因子或者統(tǒng)計誤差影響?？傮w來看，相對濕度越低，越有利于光化學(xué)反應(yīng)生成O3[14]，而濕度越高，代表云量和雨量越高，影響紫外輻射條件和清除條件，對O3生成和積累產(chǎn)生影響[16]。

3.4 氣壓

從表5可見，氣壓≥102 kPa時，O3超標(biāo)率為0，隨著氣壓降低，O3-8h平均濃度和超標(biāo)率逐漸升高，這與楊成江等[17]的統(tǒng)計結(jié)果相似，但pearson系數(shù)顯示氣壓和O3-8h濃度相關(guān)性不明顯。夏季氣壓最低，春季次之，冬季氣壓最高，而氣壓低的春季和夏季O3-8h濃度較高，不存在必然關(guān)聯(lián)。

3.5 風(fēng)速和風(fēng)向

統(tǒng)計得出福州市平均風(fēng)速主要集中在1.0～2.0 m/s之間，占統(tǒng)計總數(shù)的75.3%，如表5所示。僅有12天風(fēng)速≥2.5 m/s，因樣本較少易出現(xiàn)統(tǒng)計誤差，本文不作討論。當(dāng)風(fēng)速<1.0m/s時，O3-8h平均濃度相對較低，超標(biāo)率為0；風(fēng)速在1.0m/s≤WS<2.5m/s，出現(xiàn)O3超標(biāo)，O3-8h平均濃度相對較高，潘文琪等[13]、楊娜等[19]和楊成江等[17]都得到相似的統(tǒng)計結(jié)果。風(fēng)速對O3濃度的影響，主要體現(xiàn)在水平擴散的稀釋作用和對流引起的上層O3向下輸送混合[13]，前者起到清除作用，后者起到輸入作用。推斷當(dāng)風(fēng)速處于1.0m/s≤WS<2.5m/s時，福州市O3輸入作用大于清除作用，引起濃度升高，存在超標(biāo)風(fēng)險。

從圖7可見，除冬季外，福州市在春季、夏季和秋季O3濃度較高的時節(jié)，O3高值主要發(fā)生在風(fēng)速1.0m/s≤WS<2.5m/s的東南風(fēng)、南風(fēng)。每年春末到秋季，福州市多受副熱帶高壓控制，盛行夏季風(fēng)，易出現(xiàn)O3由南向北輸送的現(xiàn)象[18]。

圖7 不同季節(jié)O3小時濃度分布及風(fēng)玫瑰圖

4 結(jié)論

①2018—2020年，福州市O3超標(biāo)天數(shù)逐年減少，O3-8h年平均濃度、O3-8h第90百分位數(shù)濃度和O3-8h濃度最大值逐年下降。

②從季節(jié)變化和月變化看，2018—2020年福州市各季節(jié)O3-8h平均濃度、O3-8h第90百分位數(shù)濃度和O3-8h濃度最大值均依次為春季、秋季、夏季、冬季。月變化特征表現(xiàn)為O3-8h月平均濃度和第90百分位數(shù)濃度均有兩個高峰時段，分別在4-6月和9-10月，全年變化趨勢呈“M”型。

③從日變化看，2018—2020年各年以及三年各季節(jié)的O3小時濃度年平均日變化趨勢基本一致，均呈單峰型。7-8時降到最低值，午后14時達到最高值。

④Pearson系數(shù)顯示日紫外輻射總量、日最高氣溫和平均氣溫與O3-8h濃度呈正相關(guān)， O3-8h濃度與日平均相對濕度呈明顯負(fù)相關(guān)。O3-8h濃度與日平均風(fēng)速除在夏季呈弱負(fù)相關(guān)外，其它季節(jié)均呈一定程度正相關(guān)，與日平均氣壓相關(guān)性不明顯。

⑤從氣象因子看，在25℃≤最高氣溫<30℃和20℃≤平均氣溫<25℃時超標(biāo)天數(shù)最多；紫外輻射越強，相對濕度越低，氣壓越低，O3-8h平均濃度和超標(biāo)率越高；春末到秋季副高控制時，風(fēng)速在1.0m/s≤WS<2.5m/s，風(fēng)向在東南風(fēng)和南風(fēng)時，易出現(xiàn)O3超標(biāo)。