福州市臭氧污染特征及其与气象因子的相关性研究

龙小燕

(福建省福州环境监测中心站，福建 福州 350100)

随着“大气污染防治攻坚战”和“蓝天保卫战”的打响，全国各城市颗粒物污染状况逐年改善，但臭氧污染问题仍然凸显，已经成为影响全国夏季环境空气质量的重要因素。李霄阳等[1]研究指出臭氧污染较为严重的地区主要分布在华北地区、华中地区北部、华东地区北部、东北地区南部、西北地区东部、川渝地区和珠三角地区。中国北方和南方城市臭氧浓度月变化分别具有显著的倒“V”和“M”型规律，且南方地区超标时间跨度较大。王宏等[2]研究表明，福建省沿海城市臭氧浓度高于内陆城市，福州、宁德等城市的臭氧浓度在春季达到最高。臭氧浓度升高主要受光化学反应、本地积累、水平输送和垂直输送影响。李明华等[3]通过统计发现，超标天气多出现在气温较高、相对湿度较小、风速偏小、云量较少、一般无降水且日照充足的天气。臭氧超标时，气温、日照时数和相对湿度具有更明显的日变化特征。张丽等[4]指出气温与臭氧污染的相关性最大，结合气温和其它因子进行分类研究，除气温以外的单个气象因子对臭氧超标率的影响较小。

福州市作为福建省省会，是东南沿海重点城市之一，地处闽江下游，东临太平洋，与台湾省隔海相望，属于典型的河口盆地。由于特殊的地理环境，福州市臭氧污染与副热带高压、台风、海陆风、河谷风等气象因素的关系具有典型的多样性特征。本文对2018—2020年福州市臭氧污染特征及其与气象因子的相关性开展研究，以期为福州市“十四五”期间臭氧污染防治、空气质量持续改善提供科学依据。

1 资料和方法

本文O3监测数据选取2018—2020年福州市5个国控环境空气自动监测站点(五四北路、杨桥西路、紫阳、师大、九龙)O3小时均值和日最大8小时滑动平均值。

气象资料选取福州市大气超级站2018—2020年气温、紫外辐射、相对湿度、气压和风向风速等相关气象数据。根据福建气候特征，定义春季为3-5月，夏季为6-8月，秋季为9-11月，冬季为12月-次年2月。

参照《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ 633-2012)，O3的日评价为日最大8小时滑动平均值(以下简称O3-8h)；参照《环境空气质量评价技术规范(试行)》(HJ 663-2013)，O3的月评价、季评价和年评价为O3-8h平均浓度(O3-8h-average)，O3-8h第90百分位数浓度(O3-8h-90per)和O3-8h浓度最大值(O3-8h-max)；参照《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)，O3日最大8小时滑动平均值一级浓度限值为100μg/m3，二级浓度限值为160μg/m3，超过160μg/m3即为O3超标。

本文选用Origin2017和Excel 2003等软件统计分析处理数据。

2 臭氧污染特征研究和分析

2.1 臭氧年变化特征

由表1可知，2018—2020年，福州市臭氧污染状况明显改善。其中，臭氧一级天数增长较快，二级天数先增加后减少，超标天数显著下降，2019年和2020年O3空气质量优良率分别为99.2%和99.5%。福州市2018—2020年O3超标均为轻度污染，未出现中度及以上污染等级。O3-8h浓度皆逐年降低，相比2018年，2020年O3-8h年平均浓度下降7.1%，O3-8h年第90百分位数浓度下降14.6%，O3-8h浓度最大值下降18.9%。

表1 2018—2020年福州市O3不同污染等级天数对比和年际浓度变化

2.2 臭氧季节变化特征

从季节看(图1)，O3-8h平均浓度和O3-8h浓度最大值均是春季最高，秋季次之，O3-8h年第90百分位数浓度春秋季持平，夏季略低，冬季各指标均最低，与郑秋萍等[7]统计结果一致。各季节高空环流背景和地面气象条件不同，故O3浓度差异较大。春季O3-8h浓度最高的原因可能是由于对流层顶折叠引发平流层和对流层交换，这是春季对流层O3增加的重要来源[8]。随着冷空气东移南下，高空槽的发展，春季对流交换加强，福州市处于高压底部，对流层顶折叠使高空O3向下垂直传输，O3浓度升高[13]。

图1 2018—2020年福州市O3-8h浓度季节变化

备注:“↓”代表“减少”，“↑”代表“增加”。

如表2所示，2019年和2020年O3-8h春季平均浓度相较2018年同期分别下降了15.2%和11.9%，O3-8h夏季平均浓度相较2018同期分别下降了15.4%和16.3%，均高于全年平均。而秋季O3-8h平均浓度2019年较2018年增加12%，2020年较2018年减少4.0%，低于全年水平，冬季O3-8h平均浓度2019年较2018年减少4.2%，低于全年水平，2020年不降反升。由此可见，2019年和2020年O3浓度降低主要是春夏季降低，且夏季更为明显。

表2 福州市不同年份O3-8h平均浓度季节变化/μg·m-3

2.3 臭氧月变化特征

从O3-8h月平均浓度变化特征(图2)和O3-8h月第90百分位数浓度的变化特征(图3)看，2018—2020年，O3-8h月平均浓度和第90百分位数浓度均有两个高峰时段，分别在4-6月和9-10月，全年趋势呈“M”型，符合东南沿海地区城市特点[9]，与华南地区相似[1]，而京津冀等北方地区O3-8h浓度月变化则呈单峰型[10-11]。从三年平均值看，O3-8h月平均浓度5月和10月最高，为116μg/m3，1月最低，为67μg/m3。而O3-8h第90百分位数浓度4月和5月最高，为150μg/m3，其次是10月，为146μg/m3，12月最低，为95μg/m3。

图2 O3-8h月平均浓度变化趋势

图3 O3-8h月第90百分位数浓度变化趋势

2018—2020年，福州市在1-3月和11-12月均未出现O3超标，如图4所示。2018年O3超标天数最多，在4-10月，每个月均有O3超标，最多为5月，共7天。2019年只在9月出现O3超标，共3天，而2020年分别在4月和6月各超标1天，这两年均未在气温较高的7月和8月出现O3超标。

图4 2018—2020年福州市各月超标天数对比

2.4 臭氧日变化特征

通过不同年份O3浓度的日变化时序图(图5)得出，2018—2020年的O3小时浓度年平均日变化趋势基本一致，均呈单峰型。7-8时降到最低值，随着白天气温升高和辐射加强，早高峰时段臭氧前体物浓度增加[7]，VOCs和NOx光化学反应生成O3的能力逐步加强，不断生成累积，14时达到最高值，之后随着光照和紫外辐射减弱，O3浓度逐渐降低[12]。2018—2020年最低值分别为41μg/m3、42μg/m3、43μg/m3，略有上升但不明显，最高值2018年为105μg/m3，2019年和2020年分别降低到96μg/m3和94μg/m3。可见2019—2020年O3浓度相比2018年降低，主要体现在白天高值时段的降低。

图5 2018—2020年福州市O3浓度日变化趋势

而从不同季节O3浓度的日变化时序图(图6)可知，各季节O3浓度日变化趋势相似，均呈单峰型，在高低值和时间节点上存在一定差异。夏季6时O3浓度值最低，春季和秋季7时值最低，而冬季最低值则出现在8时，这可能受日出时间的影响。夏季和秋季在14时达到最高值，而冬季和春季最高值则出现在15时，略有推后，差别不大。

图6 福州市不同季节O3浓度日变化趋势

秋季晨间最低值较高，为55μg/m3，接下去依次是春季、冬季和夏季，夏季最低值为25μg/m3。这可能是因为夏季夜间气温较高，NO滴定作用更明显。春季午后最高值最高，为113μg/m3，秋季次之，冬季73μg/m3最低。这与O3-8h平均浓度、O3-8h第90百分位数浓度和O3-8h浓度最大值季节规律一致。

3 臭氧和气象因子关系分析

表3列出了福州市2018—2020年各常规气象因子在不同季节与O3-8h浓度的Pearson相关系数。日紫外辐射总量、日最高气温和平均气温与O3-8h浓度呈正相关，且各个季节相关性UV>tmax>t，春季的相关性较强。日平均相对湿度与O3-8h浓度呈明显负相关，夏季相关性略弱。日平均风速与O3-8h浓度除在夏季呈弱负相关外，其它季节均呈一定程度正相关。在春冬季，日平均气压与O3-8h浓度呈弱正相关，夏秋季则呈弱负相关。各因子具体情况下文将详细讨论。

表3 O3-8h浓度与常规气象因子不同季节Pearson相关系数(P<0.05)

总体来看，2018—2020年间除紫外辐射外，各气象因子年均值相差不大(表4)。2019年气温最低，辐射最弱，湿度最高，结合pearson相关系数来看，其气象条件最不利臭氧生成。2020年气温最高，湿度最低，2018年辐射最强，都利于臭氧生成。O3-8h浓度2018年>2019年>2020年，除了因为2018年辐射较强外，还与《福建省大气污染防治行动计划》和《福建省打赢蓝天保卫战三年行动计划》实施以来，福建省和福州市大力加强臭氧污染防治，减少生成O3的前体物的排放有关。

表4 不同年份和不同季节各气象因子日均值对比

前文已得出福州市O3-8h浓度大小依次为春季、秋季、夏季、冬季。从不同季节气象因子可见(表4)，夏季气温最高，辐射最强，气压最低，但湿度最高，且午后多对流引发阵性强降水，影响了O3的生成积累。秋季虽然气温高于春季，湿度低于春季，但春季O3浓度更高，除因为春季“对流层折叠”外，还与秋季紫外辐射相对更弱有关。

3.1 气温

因气温具有明显日变化特征，采用日最高气温和日平均气温来评价气温对O3-8h浓度的影响[17]。由表5可知，在最高气温tmax<20℃和平均气温t<15℃时，未出现超标。在tmax≥35℃和25℃≤tmax<30℃以及平均气温t≥30℃和20℃≤t<25℃时，O3超标率和O3-8h平均浓度较高，而在30℃≤tmax<35℃和25℃≤t<30℃时略低。在25℃≤tmax<30℃和20℃≤t<25℃时超标天数最多。

表5 2018—2020年不同等级气象因子下各级别天数、超标率和O3-8h浓度统计

续表

O3在tmax≥35℃超标只发生在2018年，2019年和2020年未出现，而福州市2020年4月的一次超标，当日最高气温为21.7℃，平均气温为17.3℃。pearson相关系数也显示出气温与O3-8h浓度呈一般正相关性。由此可得出，气温是影响O3生成的重要因子，直接影响光化学反应速率[18]，但不是O3积累超标的唯一因子，还与扩散传输条件有关，这与齐艳杰等[16]研究结果相同。福州市夏季高温天气时对流强，上午气温高、辐射强，午后多阵性强降水，对O3有明显的清除作用，可见夏季高温时段虽然O3生成能力强，但扩散清除条件有时较好，赵伟等[20]也得出了相同的结论。

3.2 紫外辐射

余忠奇等[14]研究表明太阳辐射对臭氧前体物VOCs和NOx光化学反应生成O3有明显影响，而pearson相关系数得出紫外辐射强度与O3-8h浓度呈较强正相关性。在日紫外辐射总量<200 W/m2时，未出现O3超标，如表5所示。随着紫外辐射增强，O3-8h平均浓度和超标率逐渐升高，但400W/m2≤UV<500W/m2相比300W/m2≤UV<400W/m2，O3二级天数、超标天数、超标率和O3-8h平均浓度均相当，略有升高，而UV≥500 W/m2时，未出现超标，O3-8h平均浓度甚至降低。可见，日紫外辐射总量在400±100 W/m2时，基本能满足福州市现有生成O3前体物浓度和气象因子水平下的光化学反应，由于紫外辐射≥500 W/m2样本数量较少，O3浓度降低结果不具有代表性，需要进一步验证。

3.3 相对湿度

杨健等[18]发现O3浓度随相对湿度降低而升高，而表3中pearson相关系数证实相对湿度与O3-8h浓度呈明显负相关，从表5也可以得出，随着日平均相对湿度的降低，O3-8h平均浓度逐渐升高。在RH≥80%时，O3未超标，湿度越低超标率呈增加趋势，但50%≤RH<60%超标率低于60%≤RH<70%，可能是受到气温等气象因子或者统计误差影响。总体来看，相对湿度越低，越有利于光化学反应生成O3[14]，而湿度越高，代表云量和雨量越高，影响紫外辐射条件和清除条件，对O3生成和积累产生影响[16]。

3.4 气压

从表5可见，气压≥102 kPa时，O3超标率为0，随着气压降低，O3-8h平均浓度和超标率逐渐升高，这与杨成江等[17]的统计结果相似，但pearson系数显示气压和O3-8h浓度相关性不明显。夏季气压最低，春季次之，冬季气压最高，而气压低的春季和夏季O3-8h浓度较高，不存在必然关联。

3.5 风速和风向

统计得出福州市平均风速主要集中在1.0～2.0 m/s之间，占统计总数的75.3%，如表5所示。仅有12天风速≥2.5 m/s，因样本较少易出现统计误差，本文不作讨论。当风速<1.0m/s时，O3-8h平均浓度相对较低，超标率为0；风速在1.0m/s≤WS<2.5m/s，出现O3超标，O3-8h平均浓度相对较高，潘文琪等[13]、杨娜等[19]和杨成江等[17]都得到相似的统计结果。风速对O3浓度的影响，主要体现在水平扩散的稀释作用和对流引起的上层O3向下输送混合[13]，前者起到清除作用，后者起到输入作用。推断当风速处于1.0m/s≤WS<2.5m/s时，福州市O3输入作用大于清除作用，引起浓度升高，存在超标风险。

从图7可见，除冬季外，福州市在春季、夏季和秋季O3浓度较高的时节，O3高值主要发生在风速1.0m/s≤WS<2.5m/s的东南风、南风。每年春末到秋季，福州市多受副热带高压控制，盛行夏季风，易出现O3由南向北输送的现象[18]。

图7 不同季节O3小时浓度分布及风玫瑰图

4 结论

①2018—2020年，福州市O3超标天数逐年减少，O3-8h年平均浓度、O3-8h第90百分位数浓度和O3-8h浓度最大值逐年下降。

②从季节变化和月变化看，2018—2020年福州市各季节O3-8h平均浓度、O3-8h第90百分位数浓度和O3-8h浓度最大值均依次为春季、秋季、夏季、冬季。月变化特征表现为O3-8h月平均浓度和第90百分位数浓度均有两个高峰时段，分别在4-6月和9-10月，全年变化趋势呈“M”型。

③从日变化看，2018—2020年各年以及三年各季节的O3小时浓度年平均日变化趋势基本一致，均呈单峰型。7-8时降到最低值，午后14时达到最高值。

④Pearson系数显示日紫外辐射总量、日最高气温和平均气温与O3-8h浓度呈正相关， O3-8h浓度与日平均相对湿度呈明显负相关。O3-8h浓度与日平均风速除在夏季呈弱负相关外，其它季节均呈一定程度正相关，与日平均气压相关性不明显。

⑤从气象因子看，在25℃≤最高气温<30℃和20℃≤平均气温<25℃时超标天数最多；紫外辐射越强，相对湿度越低，气压越低，O3-8h平均浓度和超标率越高；春末到秋季副高控制时，风速在1.0m/s≤WS<2.5m/s，风向在东南风和南风时，易出现O3超标。