成都太陽總輻射變化特征及對臭氧污染影響分析

趙曉莉,曹 楊,杜云松,成 翔

(1.四川省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，成都 610072，2.四川省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站，成都 610000)

引 言

太陽總輻射是太陽直接輻射和散射輻射的總和，在地表輻射交換中，它是輻射能量的收入部分，對地表輻射平衡，地氣能量交換，以及各地天氣氣候的形成具有決定性意義[1～3]。近幾年對流層臭氧濃度呈現(xiàn)出不斷上升趨勢，近地面臭氧絕大部分來源于人為源(氮氧化物和揮發(fā)性有機物)在光照條件下經(jīng)一系列光化學(xué)反應(yīng)生成的二次污染物[4]，太陽輻射作為與許多臭氧相關(guān)的大氣化學(xué)或光化學(xué)過程的控制因素，已成為眾多學(xué)者研究探討的熱點。Jasaitis等[5]通過長期監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)太陽輻射強度在統(tǒng)計學(xué)上與臭氧濃度呈顯著正相關(guān)。盧嬋嬋等[6]對太陽輻射等氣象要素與臭氧含量進行相關(guān)性分析，建立臭氧含量預(yù)估模型。劉長煥等[7]對京津冀、長三角和珠三角2007～2016年太陽總輻射年際和季節(jié)變化以及與臭氧濃度關(guān)系進行了分析。但少有對成都長年太陽總輻射進行探討，研究太陽總輻射時空變化不僅是探尋氣候變化規(guī)律的重要組成部分，而且能深入了解太陽輻射對近地層臭氧污染的影響。本文利用1993年至2020年地面氣象觀測站實測太陽總輻射資料，對成都地區(qū)太陽總輻射年際和季節(jié)變化進行分析，深入認識太陽總輻射對臭氧污染形成的影響，旨在為成都臭氧污染預(yù)報提供新思路。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

太陽總輻射是指水平面上，天空2π立體角內(nèi)所接收到的太陽直接輻射和散射輻射之和。本文采用的太陽總輻射數(shù)據(jù)(1993～2020年)和溫江地面降水數(shù)據(jù)(2011～2015年)均來源于四川省氣象探測數(shù)據(jù)中心并已經(jīng)過數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。地面臭氧濃度資料(2016～2020年)來自環(huán)保部中國環(huán)境監(jiān)測總站發(fā)布的全國城市空氣質(zhì)量逐小時觀測數(shù)據(jù)，并進行了數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，有效數(shù)據(jù)1 412個。地面臭氧濃度月資料(2015～2020年)來自四川省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，數(shù)據(jù)已進行質(zhì)量控制。

1.2 研究方法

輻照度指在單位時間內(nèi)，投射到單位面積上的輻射能，即觀測到的瞬時值；曝輻量指一段時間輻照度的總量或累計量。為了更好的分析太陽輻射對于臭氧濃度變化的影響，本文選取太陽總輻射曝輻量作為研究對象。利用年、月太陽總輻射累計值以及春(3～5月)、夏(6～8月)、秋(9～11月)、冬(12月～次年2月)各季節(jié)太陽總輻射累計值，分析成都市太陽總輻射的年、季節(jié)和月變化特征。采用氣候傾向率來描述太陽總輻射在較長時間尺度上的變化趨勢[8]，氣候傾向率是通過線性回歸將太陽總輻射與時間建立線性函數(shù)關(guān)系，如下式所示：

yi=a·ti+b

其中，a為回歸系數(shù)，表示上升或下降的速率。當a>0時，表明太陽總輻射隨時間變化呈上升趨勢；當a<0時，表明太陽總輻射隨時間變化呈下降趨勢；當a=0表明無變化。

臭氧8小時平均濃度采用滑動平均方式計算。指定時間t的8小時平均濃度值為：t-7、t-6、t-5、t-4、t-3、t-2、t-1、t時的8個1小時平均濃度值的算術(shù)平均值。臭氧日最大8小時平均濃度是指一個自然日內(nèi)8:00時至24:00時的所有8小時滑動平均濃度中的最大濃度值。環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)采用《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ633-2012)中的方法計算。

2 結(jié)果與討論

2.1 太陽總輻射年、季節(jié)變化

成都1993～2020年太陽總輻射總體呈上升趨勢，傾向率為31.63 MJ/(m2·a)，年最低值出現(xiàn)在1999年曝輻量為2 858.98MJ/m2，最高值出現(xiàn)在2018年曝輻量為4 170.21 MJ/m2。從(圖1)年際變化可見，1993年至1999年成都市太陽總輻射逐年下降，1999年后開始呈上升趨勢，2020年太陽總輻射較1999年升高856.15 MJ/m2，升幅達29.9%。

圖1 1993～2020年成都太陽總輻射變化曲線

從成都1993～2020年太陽總輻射的季節(jié)序列(圖2)可見，成都太陽總輻射夏季最高，春季次之，秋季第三，冬季最低；春季、夏季太陽總輻射明顯高于秋季和冬季，夏季與冬季年均曝輻量相差766.89 MJ/m2。由表1可知，夏季太陽總輻射呈上升趨勢，傾向率為10.39 MJ/(m2·a)，略高于春季和冬季；秋季傾向率雖大于0，但與其它三個季節(jié)相比，變化不顯著。

表1 太陽總輻射年均、季節(jié)均值及氣候傾向率

圖2 1993～2020年成都各季節(jié)太陽總輻射變化曲線

2.2 太陽總輻射月變化

從太陽總輻射5年月均變化曲線圖(見圖3)中可以看出成都太陽總輻射月變化總體呈現(xiàn)“雙峰”型，每年2～4月為迅速攀升階段，而后維持在全年高值區(qū)，9月斷崖式下滑后緩慢降至最低。其中，4～8月太陽輻射較強，太陽總輻射占全年曝輻量58%以上；期間出現(xiàn)太陽總輻射在6月有小幅下降，7月又回升的現(xiàn)象。由于降水時天空會覆蓋云層，使得到達地面的太陽輻射減少，因此可以通過無降水日來解釋太陽總輻射降低的原因。通過對6月太陽總輻射降幅顯著的2011～2015年無降水日數(shù)統(tǒng)計結(jié)果發(fā)現(xiàn)(表2)，6月平均無降水日數(shù)僅占39.2%，與5月、7月相比6月降水明顯偏多，說明6月太陽總輻射的降低與降水日數(shù)的增多有直接關(guān)系。

圖3 1996～2020年成都太陽總輻射5年月均變化曲線

成都太陽總輻射近25年呈上升態(tài)勢，1996～2000年太陽總輻射為最低階段，4～8月平均累積曝輻量僅為1 839.5 MJ/m2；2016～2020年太陽總輻射為最高階段，4～8月平均累積曝輻量達2 349.6 MJ/m2。成都太陽總輻射1～3月以及11～12月升幅雖然沒有4～8月顯著，但也略有升高；9月升幅最小，最高值與最低值之差僅為35.1MJ/m2。

2.3 太陽總輻射與臭氧濃度關(guān)系

如圖4所示2015～2020年月太陽總輻射與月均地面臭氧濃度有較好的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.94，說明太陽總輻射對月均地面臭氧濃度的變化有直接的影響。近地面臭氧是光化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物，在生成過程中除了受前體物氮氧化物(NOX)和揮發(fā)性有機物(VOCs)濃度的影響外，另一個影響因素就是太陽輻射強度，它為光化學(xué)反應(yīng)提供反應(yīng)所需的能量。太陽總輻射較強時，近地面NOX和VOCs吸收來自太陽的輻射能量發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生以臭氧為主的二次污染物。臭氧的產(chǎn)生量大于消耗量，大氣中一直聚集臭氧，隨著時間的推移，導(dǎo)致近地面臭氧含量越來越高。月均地面臭氧濃度與太陽總輻射一樣呈周期性變化，每年4～8月太陽總輻射較高,臭氧濃度也較高；11月～次年2月太陽總輻射較低，臭氧濃度也較低。

圖4 2015～2020年逐月成都太陽總輻射與臭氧濃度變化曲線

利用2015～2020年逐日太陽總輻射和地面臭氧日最大8h平均濃度繪制密度圖(見圖5)，可以直觀的看到其分布特征，太陽總輻射日曝輻量64.3%集中在12.6 MJ/m2以下；臭氧日最大8h平均濃度79.4%集中在160μg/m3以下。臭氧AQI等級為3級(輕度污染)及以上時，逐日太陽總輻射和地面臭氧日最大8h平均濃度分布情況如圖6所示，太陽總輻射日曝輻量59.88%集中在17.74～25.20MJ/m2之間，且密度分布與圖5完全不同，隨著太陽總輻射強度的增加該區(qū)域中的臭氧濃度高密度區(qū)并未顯著向高濃度方向偏移。

圖5 2015～2020年逐日太陽總輻射和地面臭氧日最大8h平均濃度密度

圖6 濃度大于160μg/m3的臭氧日最大8小時平均濃度與日太陽總輻射密度

為了了解臭氧各AQI等級與太陽總輻射之間的關(guān)系，利用地面臭氧不同AQI等級繪制太陽總輻射琴型圖(見圖7)，可以看出AQI等級為1級，日曝輻量主要集中在5 MJ/m2左右，隨著太陽總輻射強度的增強，臭氧AQI等級也逐步升高。臭氧AQI等級較低時，太陽總輻射的增強對于臭氧AQI等級的升高具有明顯的促進作用；但當臭氧AQI等級達到4級及以上，日曝輻量大部分維持在25 MJ/m2左右，臭氧AQI等級的變化與太陽總輻射無明顯關(guān)系。由此可見，太陽總輻射是臭氧產(chǎn)生的控制因素，但當太陽總輻射強度達到臭氧產(chǎn)生條件后，臭氧濃度的上升便不再與太陽總輻射呈正相關(guān)。

圖7 AQI等級與太陽總輻射密度圖

3 結(jié) 論

3.1 成都1993～2020年太陽總輻射總體呈上升趨勢，夏季最高，春季次之，秋季第三，冬季最低。月變化呈現(xiàn)“雙峰”型：每年2～4月為迅速攀升階段，而后維持在全年高值區(qū)，期間出現(xiàn)6月小幅下降，7月又回升的現(xiàn)象，9月斷崖式下滑后緩慢降至最低。

3.2 2015～2020年月太陽總輻射與月均地面臭氧濃度有較好的正相關(guān)性，且月均地面臭氧濃度與太陽總輻射一樣呈周期性變化，說明太陽總輻射對月均地面臭氧濃度的變化有直接的影響。

3.3 臭氧AQI等級較低時，太陽總輻射的增強對于臭氧AQI等級的升高具有明顯的促進作用；但當臭氧AQI等級達到4級及以上，臭氧AQI等級的變化與太陽總輻射無明顯關(guān)系。

3.4 研究結(jié)論能為成都制定NOX和VOCs協(xié)同減排策略提供科學(xué)理論依據(jù)，同時為臭氧生成敏感性研究提供新思路。