王宏，鄭秋萍，蔣冬升，廖廓

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(cè)中心站，福建 福州 350003

太陽(yáng)輻射是地球生態(tài)系統(tǒng)中最主要的能量來源，是天氣氣候形成和演變的基本動(dòng)力，是人類可開發(fā)、利用的重要自然資源（汪方等，2008；石玉林，2006；汪凱等，2010）。地面太陽(yáng)總輻射由太陽(yáng)直接輻射和散射輻射組成，主要受緯度、海拔、云量和氣溶膠等影響（Ma，2011；白建輝等，1994；Zuo et al.，1999）。蔡子穎等（2016），石廣玉等（2008），鄭有飛等（2011），邵振艷等（2009）許多學(xué)者在對(duì)我國(guó)近幾十年來太陽(yáng)總輻射變化趨勢(shì)分析的同時(shí)，研究了氣溶膠輻射強(qiáng)迫效應(yīng)對(duì)太陽(yáng)輻射變化的影響；齊月等（2014），李曉文等（1998），查良松（1996）研究發(fā)現(xiàn)大致以 1990年為界，之前中國(guó)大部分地區(qū)的太陽(yáng)總輻射呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，并推測(cè)是由于人類大量燃燒化學(xué)能源，使得大氣中的氣溶膠（顆粒物）濃度增加，導(dǎo)致大氣污染加劇，污染物本身能反射以及散射太陽(yáng)輻射，導(dǎo)致到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射減小。馬金玉等（2012）對(duì)1961—2009年全國(guó) 58個(gè)氣象站太陽(yáng)總輻射變化趨勢(shì)分析發(fā)現(xiàn)在省級(jí)大城市中太陽(yáng)總輻射下降明顯的站點(diǎn)約占三分之二，主要原因可能是省級(jí)大城市城市化進(jìn)程較快，人為活動(dòng)相對(duì)頻繁，一次性能源消耗相對(duì)較多，導(dǎo)致大氣中影響輻射的要素，如氣溶膠和溫室氣體等增加較快。胡森林等（2017）研究發(fā)現(xiàn)PM2.5是影響總輻射的重要人為因子，二者之間有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，在合肥市PM2.5濃度每增加1 μg·m-3，地面總輻射下降0.92 W·m-2。喻麗等（2015）利用2001—2012年全國(guó)23個(gè)站點(diǎn)的太陽(yáng)日輻射和空氣污染指數(shù)（API）資料分析，發(fā)現(xiàn)二者呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，并建立了基于API的太陽(yáng)日總輻射計(jì)算模型DSRM-Y，用該模型估算的太陽(yáng)日總輻射值與實(shí)測(cè)值在平均偏差、均方根誤差以及誤差分析等方面均表現(xiàn)出較好的擬合效果；同時(shí)文末也指出新的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095—2012）利用空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）評(píng)價(jià)空氣質(zhì)量好壞；AQI不同于API，API由3種污染物（SO2、NO2、PM10）綜合評(píng)價(jià)得到，AQI由 6種污染物（SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3、CO）綜合評(píng)價(jià)得到，那么在眾多指標(biāo)中，受到太陽(yáng)總輻射影響較大的因子可能就不僅僅是ρ(PM10)（ρ代表質(zhì)量濃度），也可能是ρ(PM2.5)、ρ(O3)、ρ(NO2)等，因此模型的有效性將降低，所以應(yīng)該針對(duì)研究城市當(dāng)日主要污染物濃度進(jìn)行分析建模，以增強(qiáng)模型的有效性，提升模型精度。在福州市利用AQI評(píng)價(jià)空氣質(zhì)量后，太陽(yáng)總輻射與空氣質(zhì)量的關(guān)系就從單一的影響ρ(PM)高低到主要影響ρ(PM)和ρ(O3)高低轉(zhuǎn)變，二者之間就不再是簡(jiǎn)單的負(fù)相關(guān)關(guān)系，因?yàn)樘?yáng)輻射越強(qiáng)ρ(PM)越低，ρ(PM)的持續(xù)下降導(dǎo)致了 O3生成所需的光化輻射通量增加，使得ρ(O3)會(huì)越高（劉新春等，2014），所以太陽(yáng)總輻射與空氣質(zhì)量的相關(guān)關(guān)系取決于當(dāng)天的首要污染物，進(jìn)而決定并影響空氣質(zhì)量的好壞。

對(duì)流層 O3是光化學(xué)煙霧事件、大氣光化學(xué)污染中最重要的污染物之一，作為一種反應(yīng)性極高、氧化性較強(qiáng)的痕量氣體，O3對(duì)大氣化學(xué)過程、氣候變化、生態(tài)環(huán)境和人體健康均能產(chǎn)生重要的影響或危害。隨著城市化進(jìn)程的加快城市熱島、城市極端天氣事件頻發(fā)（王煜東等，2014；劉德義等，2010），而 O3污染是當(dāng)下環(huán)境空氣質(zhì)量改善所面臨的最為突出問題（劉建等，2017；單源源等，2016）。福建省大氣顆粒物（PM）污染相對(duì)較輕，2014—2018年，ρ(PM10)年平均范圍為 40—60 μg·m-3，ρ(PM2.5)年平均范圍為 20—30 μg·m-3，相比之下 O3的污染形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，特別是沿海地區(qū)，近幾年ρ(O3)升高很快，O3作為首要污染物的天數(shù)已超過PM，2017—2018年空氣質(zhì)量等級(jí)超過一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值且首要污染物為O3的，占全年的85%以上，O3年超標(biāo)天數(shù)最多的是中部沿海城市莆田市，連續(xù)2 a O3污染天數(shù)超過40 d，空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良率低于90%。奇奕軒等（2017），易睿等（2015），王占山等（2016）研究指出導(dǎo)致ρ(O3)升高并超標(biāo)的氣象因素有強(qiáng)紫外線輻射、長(zhǎng)時(shí)間日照、持續(xù)高溫和低濕度，這些都與太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度有關(guān)。因此本文利用福州市太陽(yáng)總輻射、PM和O3觀測(cè)資料，采用趨勢(shì)分析、相關(guān)分析、對(duì)比分析等方法，研究太陽(yáng)總輻射的時(shí)間分布規(guī)律、變化特征及與PM、O3相關(guān)關(guān)系，旨在歸納太陽(yáng)總輻射變化對(duì)空氣質(zhì)量的影響規(guī)律。

1 數(shù)據(jù)與方法

太陽(yáng)總輻射資料來源于福州市氣象站 2007—2018年每日06:00—18:00晴空地面太陽(yáng)總輻射（單位 MJ·m-2）觀測(cè)值。

環(huán)境監(jiān)測(cè)資料 PM10為 2007—2018年，PM2.5和O3為2014—2018年福州市6個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)國(guó)控點(diǎn)ρ(PM10)、ρ(PM2.5)、ρ(O3)逐時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)資料。ρ(PM10)日均值、ρ(PM2.5)日均值及ρ(O3)8 h滑動(dòng)平均最大值（以下簡(jiǎn)寫為ρ(O3)-max-8 h）的超標(biāo)限值參照GB3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和 HJ633—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》，其中ρ(O3)-max-8 h＞100 μg·m-3為超一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，＞160 μg·m-3為超二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，且1 d中只要有一個(gè)時(shí)次ρ(O3)-max-8 h超二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，則代表該天ρ(O3)超標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 太陽(yáng)總輻射時(shí)間分布規(guī)律

2.1.1 年分布規(guī)律

根據(jù)福州市太陽(yáng)總輻射資料統(tǒng)計(jì)分析，2007—2018年福州市太陽(yáng)總輻射年平均值為 4625 MJ·m-2，±標(biāo)準(zhǔn)差 251 MJ·m-2，歷年波動(dòng)值在 4254—5131 MJ·m-2之間。由圖1可見，近12 a福州市太陽(yáng)年總輻射呈上升的趨勢(shì)，平均上升率為6.7%/10 a，R2（R為相關(guān)系數(shù)）為0.1286，通過0.05顯著性檢驗(yàn)。太陽(yáng)年總輻射最高值出現(xiàn)在 2014年（5131 MJ·m-2），最低值出現(xiàn)在 2015年（4254 MJ·m-2）。

圖1 2007—2018年福州市太陽(yáng)總輻射年變化Fig.1 Annual variation of total solar radiation in Fuzhou from 2007 to 2018

2.1.2 月季分布規(guī)律

如圖2所示，橙色帶三角標(biāo)識(shí)的為2007—2018年福州市太陽(yáng)總輻射月平均值變化曲線，由圖可見福州市太陽(yáng)總輻射月變化呈現(xiàn)單峰型，總輻射從 1月（月平均8.5 MJ·m-2）開始增加，7月（月平均19.6 MJ·m-2）達(dá)到最高值，而后開始下降，12月（月平均7.6 MJ·m-2）降到最低值，但不同年份略有差異。平均而言夏季（7—9月）福州市太陽(yáng)總輻射最豐富，春季（3—6月）次之，冬季（12月至翌年2月）最少。

圖2 2007—2018年福州市太陽(yáng)總輻射月變化Fig.2 Monthly variation of total solar radiation in Fuzhou from 2007 to 2018

2.2 太陽(yáng)年總輻射與ρ(PM)年平均值相關(guān)分析

2007—2018 年福州市太陽(yáng)年總輻射與ρ(PM10)年平均值相關(guān)系數(shù)為-0.212，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系；由圖3可見2007—2018年福州市ρ(PM10)年平均值下降趨勢(shì)明顯，平均下降率為2.3%/1 a；2014—2018年福州市年平均ρ(PM2.5)也呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，平均下降率為5.4%/1 a。太陽(yáng)總輻射與ρ(PM)呈反相關(guān)關(guān)系，一般情況下太陽(yáng)輻射加強(qiáng)，有利于氣溫升高、濕度下降，邊界層抬升，大氣熱力和動(dòng)力條件較好，使得PM水平輸送和垂直擴(kuò)散能力增強(qiáng)，從而導(dǎo)致ρ(PM)下降。

福州市近5 a來ρ(PM)下降很快，這與市政府加大大氣環(huán)境治理力度，對(duì)PM的治理取得明顯成效有關(guān)，就全國(guó)范圍而言，近些年各級(jí)政府和生態(tài)環(huán)境職能部門對(duì) PM 的治理普遍取得了較好的成效，然而隨著大氣中ρ(PM)逐年降低，太陽(yáng)總輻射量增加的同時(shí)，又引起了O3污染有所加重（見2.3節(jié)析），且對(duì)O3的治理成效還不顯著。

2.3 ρ(O3)變化趨勢(shì)分析

圖3 2007—2018年福州市ρ(PM10)、2014—2018年ρ(PM2.5)年平均變化Fig.3 Annual average variation of ρ(PM10) from 2007 to 2018,ρ(PM2.5) in Fuzhou from 2014 to 2018

表1是2014—2018年福州市ρ(O3)日均值描述統(tǒng)計(jì)，由表 1可見ρ(O3)日均值的年最大值變化范圍為 117—172 μg·m-3，最小值出現(xiàn)在 2016年，最大值出現(xiàn)在2014年；ρ(O3)-max-8 h年最大值變化范圍為 152—207 μg·m-3，最小值也出現(xiàn)在 2016 年，ρ(O3)-max-8 h 為 152 μg·m-3，＜160 μg·m-3未超過環(huán)境空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，最大值出現(xiàn)在 2017年，ρ(O3)-max-8 h 為 207 μg·m-3＞160 μg·m-3超二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，達(dá)到輕度污染級(jí)別，其次是 2014年和2018年（均超二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值）。從ρ(O3)和ρ(O3)-max-8 h的“年平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”分析可得2014、2017—2018這3 a福州市O3污染較為嚴(yán)重，從圖4可見2018年福州市ρ(O3)超標(biāo)天數(shù)最多，達(dá)到23 d，其次是2017年14 d，2014年12 d，這與2014年是近 5 a太陽(yáng)年總輻射量最大的一年，以及 2017—2018年全省太陽(yáng)輻射強(qiáng)，氣溫異常偏高，高溫次數(shù)多、范圍廣、時(shí)間長(zhǎng)、極值高，日照明顯偏多，登陸和影響臺(tái)風(fēng)整體影響偏弱（福建省氣象局，2017年福建省氣候公報(bào)；2018年福建省氣候公報(bào)）有密切關(guān)系；對(duì)比2015—2016年，福州市O3超標(biāo)天數(shù)分別為3 d和0 d，這與2015年是近5 a福州市太陽(yáng)年總輻射量最小的1 a，以及2016年登陸影響福州市的臺(tái)風(fēng)多、強(qiáng)度強(qiáng)，雨季暴雨頻發(fā)、降水量大有密切關(guān)系?？梢娞?yáng)總輻射對(duì)ρ(O3)的影響是非常顯著的（見2.4節(jié)分析）。

表1 2014—2018年福州市ρ(O3)日均值描述統(tǒng)計(jì)Table 1 Descriptive statistics of daily ρ(O3) in Fuzhou from 2014 to 2018 μg·m-3

圖4 2014—2018年福州市ρ(O3)超標(biāo)天數(shù)對(duì)比Fig.4 Comparisons of days exceeding the standard of ρ(O3) in Fuzhou from 2014 to 2018

由表 1分析可見ρ(O3)月平均值峰值出現(xiàn)的月份有所不同，但主要集中在9—10月（夏末和秋初）和 4—5月（春季），盛夏季節(jié) 7—8月，太陽(yáng)總輻射最強(qiáng)的月份反而不是ρ(O3)月平均值的高值區(qū)；谷值通常出現(xiàn)在1 a中最冷的1月或12月。

從圖5分析ρ(O3)月分布呈現(xiàn)雙峰型，10月是最明顯的高值區(qū)，其次是4—6月，研究（王宏等，2018）表明，福建省沿海地區(qū)10月和4—6月是ρ(O3)1 a中較高的月份，其中春季是1 a中ρ(O3)超標(biāo)天數(shù)最多的季節(jié)，而夏季節(jié)并不是福建省ρ(O3)最高、超標(biāo)天數(shù)最多的季節(jié)，原因是雖然夏季氣溫高，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，日照時(shí)間長(zhǎng)，濕度小，最有利于 O3的形成且ρ(O3)峰值較高，但由于夏季大氣熱力和動(dòng)力條件較好，大氣的垂直擴(kuò)散能力較強(qiáng)，所以高濃度O3持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，夜里ρ(O3)下降很快，且谷值很低，所以ρ(O3)8 h滑動(dòng)平均值不高，一般不易形成超標(biāo)現(xiàn)象，從圖5也可見7—8月反而是ρ(O3)的相對(duì)低值區(qū)。

圖5 2014—2018年福州市ρ(O3)月分布Fig.5 Monthly distribution of ρ(O3) in Fuzhou from 2014 to 2018

2.4 太陽(yáng)日總輻射與ρ(O3)日均值、ρ(O3)-max-8 h的相關(guān)性分析

圖6是2014—2018年福州市太陽(yáng)日總輻射量與ρ(O3)日均值分布散點(diǎn)圖，如圖可見二者呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，R2為0.2045，相關(guān)系數(shù)為0.452，通過0.01顯著性檢驗(yàn)。

圖6 2014—2018年福州市太陽(yáng)日總輻射量與ρ(O3)日均值散點(diǎn)圖Fig.6 Scatter plots of total solar radiation and daily mean ρ(O3)in Fuzhou from 2014 to 2018

圖7是同時(shí)間段，太陽(yáng)日總輻射量與日ρ(O3)-max-8 h分布散點(diǎn)圖，二者呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，R2為0.3532，相關(guān)系數(shù)為0.594，通過0.01顯著性檢驗(yàn)。利用ρ(O3)-max-8 h計(jì)算得 IAQI（ρ(O3)）（ρ(O3)空氣質(zhì)量分指數(shù)）與太陽(yáng)日總輻射量的相關(guān)系數(shù)為0.572，二者呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，通過0.01顯著性檢驗(yàn)。綜上分析可見太陽(yáng)總輻射越強(qiáng)，ρ(O3)越高，空氣質(zhì)量分指數(shù)越大，如果ρ(O3)超過一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，且是首要污染物，則空氣質(zhì)量越差。

圖7 2014—2018年福州市太陽(yáng)日總輻射量與日ρ(O3)-max-8 h散點(diǎn)圖Fig.7 Scatter plots of total solar radiation and daily mean ρ(O3)-max-8 h in Fuzhou from 2014 to 2018

2.5 太陽(yáng)日總輻射與空氣質(zhì)量的關(guān)系

根據(jù) 2.3節(jié)分析，福州市ρ(O3)月分布規(guī)律結(jié)果為10月和4—6月是1 a中ρ(O3)較高的月份，盛夏季節(jié)7—8月，太陽(yáng)總輻射最強(qiáng)的月份反而是ρ(O3)月平均的相對(duì)低值區(qū)，另一谷值區(qū)出現(xiàn)在 1月和12月。

2.5.1 利用API評(píng)價(jià)空氣質(zhì)量

在2013年前（含2013年），福州市利用API（空氣污染指數(shù)）評(píng)價(jià)空氣質(zhì)量，首要污染物100%都是PM10，太陽(yáng)總輻射與ρ(PM10)呈現(xiàn)反相關(guān)性，太陽(yáng)總輻射越強(qiáng)，ρ(PM10)越低，空氣質(zhì)量越好。研究（王宏等，2018）表明福州市夏季特別是 7—8月空氣質(zhì)量最好，ρ(PM10)平均值全年最低，冬季特別是12月至翌年1月空氣質(zhì)量最差，ρ(PM10)平均值全年最高，且全國(guó)絕大部分城市都遵循這樣的季節(jié)分布規(guī)律。

2.5.2 利用AQI評(píng)價(jià)空氣質(zhì)量

2014至今，利用AQI（空氣質(zhì)量指數(shù)）評(píng)價(jià)空氣質(zhì)量時(shí)，福州市不同季節(jié)、不同月份空氣質(zhì)量的好壞就沒有一致的規(guī)律性了。表 2通過對(duì)比 2014—2018 年不同月份 IAQI（SO、NO2、PM10、PM2.5、CO、O3）以及空氣質(zhì)量的優(yōu)良率，統(tǒng)計(jì) 5年來福州市空氣質(zhì)量最好和最差的月份。

由表2可見，2014—2015年福州市空氣質(zhì)量最差的月份是1月，首要污染物分別是NO2、PM2.5，空氣質(zhì)量的優(yōu)良率只有80%左右；最好的月份是7月和8月，首要污染物分別是O3、PM10，空氣質(zhì)量的優(yōu)良率均為 100%，沒有出現(xiàn)污染物超標(biāo)現(xiàn)象。2016年是典型的厄爾尼諾年，臺(tái)風(fēng)多，降水強(qiáng)，空氣質(zhì)量最好的月份是 10月，該月受到多個(gè)臺(tái)風(fēng)和冷空氣的共同影響，大氣擴(kuò)散、清除能力好；最差的月份是3月，首要污染物為NO2。2017—2018年因天氣氣候原因（氣溫異常偏高，高溫次數(shù)多、范圍廣、時(shí)間長(zhǎng)、極值高，日照時(shí)數(shù)明顯偏多，登陸和影響臺(tái)風(fēng)整體影響偏弱）導(dǎo)致全省 O3污染明顯增強(qiáng)，特別是沿海地區(qū)ρ(O3)迅速上升，O3超標(biāo)天數(shù)急劇增加。2017—2018年福州市空氣質(zhì)量最好的月份分別是6月和12月，優(yōu)良率100%，而夏季已不是這2 a空氣質(zhì)量最好的季節(jié)了，相比之下冬季的空氣質(zhì)量相對(duì)好些，春季空氣質(zhì)量狀況最差；空氣質(zhì)量最差的月份分別是4月和5月，首要污染物均為O3，2018年5月福州市空氣質(zhì)量的優(yōu)良率只有77.4%，這2 a的春季均是福州市空氣質(zhì)量最差的季節(jié)，因?yàn)?O3污染較為嚴(yán)重，超標(biāo)天數(shù)最多，在太陽(yáng)輻射強(qiáng)，日照時(shí)間長(zhǎng)，空氣濕度小，氣溫日較差大，大氣擴(kuò)散條件一般的天氣狀況下，春季的4—5月和初秋10月最有利于ρ(O3)的升高并維持，造成空氣質(zhì)量明顯下降。而夏季雖然太陽(yáng)輻射強(qiáng)度更強(qiáng)，但大氣熱力和動(dòng)力條件好，污染物稀釋、擴(kuò)散能力較強(qiáng)，所以高濃度 O3持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，夜里ρ(O3)下降很快，且谷值很低，平均而言夏季ρ(O3)不如4—5月和10月高，8 h滑動(dòng)平均最大值也不易超標(biāo)。

3 小結(jié)與討論

（1）2007—2018年福州市太陽(yáng)總輻射年平均值為 4625 MJ·m-2，±標(biāo)準(zhǔn)差 251 MJ·m-2，歷年波動(dòng)值在4254—5131 MJ·m-2之間，太陽(yáng)年總輻射呈上升趨勢(shì)，平均上升率為6.7%/10 a。

（2）福州市太陽(yáng)總輻射從 1月份開始增加，7月達(dá)到最高值，而后開始下降，12月降到最低值，夏季（7—9月）太陽(yáng)總輻射量最豐富，春季（3—6月）次之，冬季（12月至翌年2月）最少。

（3）福州市太陽(yáng)年總輻射與ρ(PM10)年平均值相關(guān)系數(shù)為-0.212，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，ρ(PM10)、ρ(PM2.5)年平均值均呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，說明近年來福州市政府對(duì)PM治理成效顯著。

（4）隨著大氣中ρ(PM)逐年降低，太陽(yáng)總輻射量增加，又引起了O3污染日趨嚴(yán)重的問題，2014、2017、2018這3年福州市O3污染較為嚴(yán)重，2018年福州市ρ(O3)超標(biāo)天數(shù)達(dá)到 23 d，這與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度強(qiáng)，氣溫異常偏高，高溫次數(shù)多、范圍廣、時(shí)間長(zhǎng)、極值高，日照時(shí)數(shù)明顯偏多有密切關(guān)系。

（5）受太陽(yáng)輻射增強(qiáng)的影響 2017—2018年福州市空氣質(zhì)量最好的月份分別是6月和12月，夏季已不是這2 a空氣質(zhì)量最好的季節(jié)了，相比之下冬季節(jié)的空氣質(zhì)量相對(duì)好些；空氣質(zhì)量最差月份分別是4月和5月，首要污染物均為O3，這2 a的春季是福州市空氣質(zhì)量最差的季節(jié)，O3污染較為嚴(yán)重，超標(biāo)天數(shù)最多。

表2 2014—2018年福州市空氣質(zhì)量最好、最差的月份（首要污染物）及優(yōu)良率Table 2 The best and worst months of air quality (primary pollutants) and the excellent and good rate in Fuzhou from 2014 to 2018