氣象條件對福州市夏季臭氧（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)測中心站，福建 福州 350003；4. 海峽氣象開放實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361012

近年來，隨著《大氣污染行動計(jì)劃》的頒布實(shí)施，中國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)污染問題日益凸顯（Madaniyazi et al.，2016；Wang et al.，2016；Lu et al.，2018），成為中國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活動排放的揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）、氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）等前體物在太陽光作用下，通過一系列光化學(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，氣象條件在臭氧的形成、轉(zhuǎn)化和擴(kuò)散過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）；相對濕度的增加可以導(dǎo)致對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）；太陽輻射、氣溫、相對濕度、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對大氣化學(xué)過程、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通過產(chǎn)生正輻射強(qiáng)迫影響全球氣候；同時 O3也可通過在光化學(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會對人體健康造成危害：如刺激呼吸系統(tǒng)、破壞人體免疫機(jī)能等，長期暴露可能對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還會影響農(nóng)作物生長、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）。

針對氣象條件對臭氧污染的影響，通過統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)值模擬方法，近年來國內(nèi)開展了大量研究工作。王燕麗等（2017）通過對京津冀地區(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)相對較小。王磊等（2018）研究了氣象條件對南京地區(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)為太陽輻射強(qiáng)，低云量少，相對濕度適宜，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，太陽輻射、溫度、相對濕度和風(fēng)速對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)的增長速率最快，為 6.4 μg·m?3·a?1；珠三角的增長速率為 μg·m?3·a?1；其中氣象條件對中國、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）評估了2013—2017年中國各地區(qū)氣象條件變化和人為排放對夏季臭氧水平的貢獻(xiàn)，結(jié)果表明，氣象對臭氧趨勢的影響因地區(qū)和年份而異，在中國東部城市，氣象條件對臭氧濃度的影響比人為排放變化的影響更顯著；風(fēng)場的變化對中國許多地區(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近地面臭氧濃度及其變化的影響，但中國幅員遼闊，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)時間長，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)境問題。本研究利用環(huán)保部門公開發(fā)布的大氣成分監(jiān)測數(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程，重點(diǎn)關(guān)注氣象條件對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)來自中國環(huán)境監(jiān)測總站“全國城市空氣質(zhì)量實(shí)時發(fā)布平臺”（http://113.108.142.147:20045/emcpublish）。福州市共有6個國控點(diǎn)，其中師大、五四北路、楊橋西路、紫陽和鼓山為城市站點(diǎn)，九龍為背景站點(diǎn)。數(shù)據(jù)處理過程中，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)量評價(jià)技術(shù)規(guī)范(試行)》等標(biāo)準(zhǔn)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行了如下質(zhì)量控制：8 h平均至少有6個小時平均濃度值，否則視為無效。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)

氣象資料主要來源于，（1）福州國家基準(zhǔn)氣象站提供的地面氣象數(shù)據(jù)；（2）中國氣象局公開發(fā)布的中國陸面數(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，美國國家海洋和大氣管理局）HYSPLIT4軌跡模式（Draxlerand Hess，1997），初始?xì)庀髨鰹?NCEP（National Centers for Environmental Prediction，美國國家環(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月為研究時段，分析氣象條件對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時次良，25時次輕度污染。結(jié)合近年來關(guān)于臭氧時空分布的研究（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)到或超過二級的情況有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，除卻太陽輻射和氣溫對 O3生成的直接影響外，擴(kuò)散條件也對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）；與水平能見度的相關(guān)系數(shù)僅為0.070；與降水量則無線性相關(guān)。短波輻射和氣溫有明顯日變化特征，且對光化學(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輻射對 O3濃度的影響。而相對濕度和風(fēng)向風(fēng)速對臭氧污染造成的影響，在2.4節(jié)中結(jié)合污染個例進(jìn)行分析。

2.2 氣溫和太陽輻射對O3濃度的影響

為了解O3光化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程，以及氣溫、輻射對其生成的影響，分別對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對研究時段內(nèi)d[ρ(O3)]、ρ(O3)和氣溫的逐時數(shù)據(jù)進(jìn)行了日變化分析。由圖1a可知，從06:00起，ρ(O3)開始有微弱增加，08:00增長速率加快，09:00—12:00是全天增長速率最快的時段（16.5—18.3 μg·m?3·h?1），ρ(O3)在 14:00 達(dá)到日最大值；隨后開始降低，17:00—19:00時下降速率最快，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)與氣溫日變化趨勢一致，白天的增長受太陽短波輻射影響顯著。

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，逐時臭氧質(zhì)量濃度范圍，IAQIO3二級以上比例，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ρ(O3-8h)并無顯著影響。從地理位置看（圖3），福州市6個監(jiān)測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、長樂、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、長樂、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，迅速與本地生成的O3混合。因此，東南風(fēng)輸送帶來工業(yè)區(qū)的O3弱化了本地光化學(xué)反應(yīng)對O3生成的貢獻(xiàn)，站點(diǎn)間ρ(O3-8h)并無顯著差別。

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)帶來的降水過程，同時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，開始晴熱天氣。在這一系統(tǒng)交替轉(zhuǎn)變的過程中，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較差：小風(fēng)、有一定相對濕度、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日污染過程為例，5月25日，高空槽、低層切變?nèi)牒：笥陝轁u歇，26日起相對濕度變小，天氣晴到多云，氣溫略有回升，太陽輻射升高，氣象條件有利于臭氧生成，26—29日，臭氧濃度以良為主，個別時次輕度污染，其中，27日出現(xiàn)了ρ(O3-8h)輕度污染。在這一過程中，從環(huán)流形勢和太陽輻射強(qiáng)度方面分析，27日并沒有特別優(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，臺灣海峽東側(cè)形成一個局地弱輻合并向西移動，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，來自上風(fēng)方向的大氣污染物可能會向福建沿海輸送。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發(fā)展，而26日夜間到27日凌晨，寧德、福州和廈門的臭氧濃度分別在23:00、00:00和01:00自北而南開始上升，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，天氣相對靜穩(wěn)；下午到傍晚時段，邊界層出現(xiàn)了下沉氣流，這會導(dǎo)致臭氧一方面無法迅速擴(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的區(qū)域輸送以及下午到傍晚時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)個別時次輕度污染；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個降水日，其余28 d均為無降水日，長時間處于高溫、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)于太陽輻射對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”，臭氧的生成過程消耗了大量氮氧化物，二者日變化呈現(xiàn)為此消彼長的趨勢（圖 8）；充足的前體物供應(yīng)才有可能帶來高濃度臭氧，從時序圖上看，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，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ρ(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)卻沒能達(dá)到輕度污染級別。在此，將11—15、19—21、24—27日分為3個時期（P1、P2、P3），討論擴(kuò)散條件對ρ(O3-8h)的可能影響。

圖7 2017年7月（無降水日）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組不同時期：其中圖9（a—c）為7月無降水日的臭氧風(fēng)玫瑰圖，分別顯示了全日時段（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、無降水等有利于臭氧生成的條件下，P1期間無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)對應(yīng)的風(fēng)速集中在 2—4 m·s?1和 4—6 m·s?1兩個區(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應(yīng)的風(fēng)速相對較小（＜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)使得臭氧無法快速耗散，在逐日攀升中逐漸達(dá)到污染級別。

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)境問題。

（2）氣溫和太陽短波輻射對臭氧生成有顯著影響。云量和降水通過影響到達(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)庀笠蛩亍＝ㄗh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，在中長期產(chǎn)業(yè)布局中減少在福州市區(qū)東側(cè)、南側(cè)的閩侯、長樂、福清等區(qū)縣布設(shè)重污染企業(yè)。