鄧慧穎 ，陳立新 ，余永江 ，王宏 *

1. 福建省災害天氣重點實驗室，福建 福州 350001；2. 武夷山國家氣候觀象臺，福建 武夷山 354300；3. 南平市延平區(qū)氣象局，福建 南平 353000；4. 武夷山市氣象局，福建 武夷山 354300；5. 福建省氣象科學研究所，福建 福州 350001

臭氧（Ozone）是一種在常溫、常壓下無色，低濃度下無味，高濃度下有腥味的氣體。臭氧“在天是佛，在地是魔”，大氣層中超過90%的臭氧處于距離地面20—30 km的平流層內（William et al.，2018），平流層的臭氧層是“好臭氧”，它吸收了210—290 nm波段的全部太陽紫外輻射，從而保護地球上的生命免受強紫外輻射的傷害；另有不到10%存在于對流層，其中大部分是揮發(fā)性有機物（VOCs）和氮氧化物（NOx）在太陽光照射下發(fā)生光化學反應的產(chǎn)物，是典型二次污染物，也是城市光化學煙霧的主要成分（Neuman et al.，2001；漏嗣佳等，2010）；此外臭氧還可能來源于周邊城市傳輸（李春玉等，2020）。近地層臭氧具有強氧化性和刺激性，不僅會損害人體健康，引發(fā)呼吸道疾病，影響心肺功能（杜鵬瑞等，2016），增加心腦血管疾病死亡風險（林麗欽等，2020）；還會對植物的生長發(fā)育（葉聽聽等，2017）、生態(tài)環(huán)境及氣候變化造成不利影響。

近年來，臭氧污染問題得到越來越多的關注，對流層臭氧的觀測與研究得到高度重視，國內外已有較多研究表明，臭氧濃度的變化與氣象條件關系密切。氣溫、相對濕度、風速、風向、降水量等氣象要素的變化都在不同程度上影響著臭氧的生成（Gvozdic et al.，2011；Draxler et al.，2020）。韓余等（2020）利用重慶市空氣質量日均資料對重慶市臭氧與氣象因子相關性進行研究，結果表明臭氧濃度與氣溫和日照時數(shù)呈正相關，且有較強的季節(jié)變化特征。齊艷杰等（2020）利用環(huán)境空氣質量監(jiān)測站和國家基準地面氣候站數(shù)據(jù)研究了河南省臭氧污染特征及其和氣象因子的關系，研究表明在不同季節(jié)不同地區(qū)的臭氧濃度與氣象因子的相關性有差異，臭氧濃度與日照時長、氣溫和能見度呈正相關，而與相對濕度呈顯著負相關。符傳博等（2020）選取三亞市 2014—2019年空氣質量監(jiān)測站的數(shù)據(jù)研究臭氧濃度變化特征，結果發(fā)現(xiàn)三亞市臭氧日最大8 h平均濃度有逐年上升趨勢，并呈現(xiàn)秋、冬高，春、夏低的特征，與二氧化氮、降水量、降水天數(shù)、日照時數(shù)和平均風速呈負相關關系，與平均氣溫和相對濕度呈正相關關系。沈勁等（2019）分析了珠三角北部背景站臭氧濃度變化特征，研究表明在冷熱交替的月份臭氧質量濃度相對較高，在夏季該地區(qū)臭氧濃度受光化學過程影響明顯，其他季節(jié)則主要受物理過程影響。鄒旭東等（2020）利用遼寧省環(huán)保局臭氧及其他相關污染物數(shù)據(jù)對該地區(qū)臭氧的分布特征及其與其他環(huán)境因子的相關關系進行研究，結果表明臭氧污染呈逐年加重趨勢，5—8月污染最為嚴重，在相對濕度40%—80%時臭氧質量濃度隨相對濕度的升高而增大，當相對濕度超過80%時臭氧質量濃度反而減小。

武夷山位于福建省西北部與江西省的交界處，是全國著名的旅游勝地，是世界文化與自然雙遺產(chǎn)地，屬于亞熱帶季風氣候，地理環(huán)境復雜，氣候資源豐富，是東亞季風影響敏感區(qū)。針對武夷山環(huán)境空氣質量的研究，主要集中在武夷山國家大氣背景值監(jiān)測站，這是全國第一個臭氧大氣背景值監(jiān)測站，對該背景值監(jiān)測站的臭氧分布特征已有一些研究（蘇彬彬，2013；蘇彬彬等，2014），但針對武夷山市近地層臭氧濃度的時空分布特征與天氣氣候的影響分析少有開展。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展、天氣氣候的演變、區(qū)域性臭氧濃度的增加、臭氧污染范圍的擴大，武夷山也面臨著臭氧污染事件增多的現(xiàn)象，特別是在2017—2019年武夷山市和武夷山國家背景值監(jiān)測站臭氧濃度和超標天數(shù)較 2015—2016年明顯增加，臭氧污染也是當下武夷山市環(huán)境空氣質量改善面臨的最為突出的問題。因此本文利用2015—2019年武夷山市環(huán)境監(jiān)測和氣象觀測資料，開展了武夷山市近地層臭氧分布特征及其與氣象要素的關系研究，對科學認識清潔區(qū)域的臭氧分布特征及污染的天氣學成因有重要意義，也為進一步開展臭氧污染預警預報和科學治理提供技術支撐。

1 資料來源與分析方法

1.1 武夷山市氣象觀測與環(huán)境監(jiān)測點位置

武夷山市氣象觀測點（58730）位于118.02°E，27.76°N，海拔高度223.1 m。武夷山市環(huán)境監(jiān)測點有2個（參與評價），分別位于武夷山市一中校園內（118.03°E，27.76°N）和武夷學院校園內（117.80°E，27.73°N）；清潔對照點（不參與評價）位于天游峰廟高山莊（117.94°E，27.65°N），具體位置見圖1。

圖1 武夷山市氣象觀測站與環(huán)境監(jiān)測站分布圖Fig. 1 Distribution of meteorological station and environmental monitoring station in Wuyishan City

1.2 污染物濃度資料的來源

污染物濃度資料來源于武夷山市生態(tài)環(huán)境局 2個環(huán)境監(jiān)測點（排除清潔對照點），O3、PM10、PM2.5逐時連續(xù)監(jiān)測資料，數(shù)據(jù)時間范圍為2015年1月1日—2019年12月31日。

1.3 氣象資料的來源與處理

地面常規(guī)氣象觀測資料包括武夷山氣象站（58730）氣溫、氣壓、相對濕度、降水、日照時數(shù)、2 min平均風速和太陽總輻射等氣象要素數(shù)據(jù)，日平均值取01:00—24:00平均，降水量、日照時數(shù)取01:00—24:00總和；太陽總輻射數(shù)據(jù)根據(jù)建甌市氣象站每日06:00—18:00太陽日總輻射觀測值換算。因武夷山市無太陽日總輻射觀測值，故使用距離最近的建甌站太陽日總輻射值換算代替。

1.4 評價標準及分析方法

文中涉及污染物濃度參照《環(huán)境空氣質量標準》（GB 3095—2012）、《環(huán)境空氣質量指數(shù)（AQI）技術規(guī)定（試行）》（HJ 633—2012）和《環(huán)境空氣質量評價技術規(guī)范（試行）》（HJ 663—2013）中的標準進行評價。其中，1 h平均指任何1 h污染物濃度的算術平均值，8 h平均指連續(xù)8 h平均濃度的算術平均值。臭氧日最大8 h滑動平均值（ρ(O3-8h)）二級標準濃度限值為160 μg·m?3，臭氧小時平均濃度（ρ(O3)）二級標準濃度限值為 200 μg·m?3。臭氧日最大8 h滑動平均值的算術平均值（MDA8）為該城市的臭氧日評價值，其一個日歷年內的第 90百分位數(shù)即第 36最大值為該城市臭氧的年評價值（臭氧日最大 8 h滑動平均值的第 90百分位數(shù)(MDA8-90)），用于評價該城市年臭氧污染狀況。

2 結果分析與討論

2.1 O3的年評價值、年超標天數(shù)

由圖2可知，2015—2019年武夷山市MDA8-90分別為 113、110、133、126、126 μg·m?3，年超標天數(shù)分別為 0、2、4、9、5 d，可見，近幾年武夷山市ρ(O3)與O3超標天數(shù)總體呈現(xiàn)上升趨勢。ρ(O3-8h)年均值分別為 70、71、87、82、79 μg·m?3，2015—2016年ρ(O3-8h)最低，其次為 2019年，2017—2018年的ρ(O3-8h)最高，結合表1分析這可能是因為2017—2018年氣溫較其余年份偏高，日照時數(shù)偏多，利于O3生成，2015—2019年武夷山市的氣溫為偏高—異常偏高，這與全球氣候變暖的大背景有關，氣溫的顯著或異常偏高有利于 O3濃度上升。2015—2016年武夷山市的降水顯著偏多，這與2015—2016年武夷山市ρ(O3)較2017—2019年偏低有很大關系，降水越強、降水日數(shù)越多，越有利于濕清除減少O3及其前體物。2015—2016年武夷山市的日照時長時數(shù)為異常偏少—正常，O3是典型的光化學污染物，強的太陽輻射、長時間日照以及高溫、低濕度條件均有利于ρ(O3)的升高。2017—2019年武夷山市的日照時數(shù)正常，2017—2018年均為正距平，較常年平均值多120 h左右，2019年少一些，與2019年ρ(O3-8h)略小于2017—2018年相符。

表1 2015—2019年武夷山市氣候評價表Table 1 Climate assessment in Wuyishan City from 2015 to 2019

圖2 2015—2019年武夷山市ρ(O3-8 h)年平均值、MDA8-90對比圖Fig. 2 Annual mean of ρ(O3-8 h) and MDA8-90 in Wuyishan City from 2015 to 2019

2.2 首要污染物占比分析

統(tǒng)計2015年1月1日—2019年12月31日武夷山市不同首要污染物出現(xiàn)天數(shù)及首要污染物為O3的占比，由圖3可知2015—2019年武夷山市的首要污染物主要為 O3、PM2.5、PM10，且首要污染物為O3的天數(shù)呈逐年增加的趨勢，2017—2019年O3的首要污染物天數(shù)均在100 d左右，較2015的47 d和2016年的48 d增加了約1倍；首要污染物為O3的占比變化趨勢與首要污染物為O3的天數(shù)一致，都經(jīng)歷了 2017年顯著增多的情況，分別增加了25.2%和54 d。同時，首要污染物為PM2.5的天數(shù)呈逐年遞減趨勢，PM2.5的首要污染物天數(shù)從2015年的36 d下降到2019年的8 d，首要污染物為PM10的天數(shù)是三者中最少的，在1—13 d之間。

圖3 2015—2019年武夷山市不同首要污染物出現(xiàn)天數(shù)及首要污染物為O3占比Fig. 3 Number of days of different primary pollutants appeared and primary pollutants proportion of O3 in Wuyishan City from 2015 to 2019

2.3 ρ(O3-8 h)月變化特征

圖4為2015—2019年ρ(O3-8h)月變化曲線，從各月ρ(O3-8h)變化情況來看，基本上呈現(xiàn)兩個高峰，第一次高峰出現(xiàn)在 4—5月，第二次高峰出現(xiàn)在 9—10月，這是因為受氣溫、光照和太陽輻射等氣象因素綜合影響。不同年份武夷山市ρ(O3-8h)月平均值差異很大，比如2019年2月ρ(O3-8h)月平均值（34.2 μg·m?3）與 2017 年 2 月 ρ(O3-8h)月平均值（92.0 μg·m?3）對比，前者比后者低 57.8 μg·m?3，這與不同年份相同月份該市的天氣形勢差異有很大關系；ρ(O3-8h)月平均值中差異最小的是7月，ρ(O3-8h)月平均值穩(wěn)定在 62.0—77.9 μg·m?3之間。這與沿海城市O3的月分布規(guī)律一致（王宏等，2018），9—10月和 4—5月在臭氧污染防控上被定義為一級管理月份。11月至翌年2月是武夷山市ρ(O3-8h)的低值區(qū)，次低值區(qū)位于6—8月，這也與沿海城市O3的月分布規(guī)律一致。有研究表明，在冬季風和夏季風交替變化的季節(jié)福建省ρ(O3-8h)最高，超標天數(shù)最多，這與東亞季風的強弱、推進時間以及 O3及其前體物的輸送有大的關系（侯雪偉等，2012）。

圖4 2015—2019年武夷山市ρ(O3-8 h)月均變化Fig. 4 Monthly variation of ρ(O3-8 h) in Wuyishan City from 2015 to 2019

2.4 ρ(O3–8 h)日變化特征

圖5為武夷山市2個環(huán)境監(jiān)測站與清潔對照點ρ(O3)的日分布圖。由圖 5可知：武夷學院和一中的ρ(O3)小時均值均比清潔對照點天游峰的高，其中武夷學院ρ(O3)小時均值又比一中在08:00—24:00時段的小時值高，在01:00—07:00時段值略低。武夷山市3個環(huán)境監(jiān)測點的 ρ(O3)小時均值分布均呈現(xiàn)單峰型分布，最高值出現(xiàn)在14:00，而后開始下降，最低值出現(xiàn)在07:00，這是因為08:00以后太陽輻射加強，氣溫升高，大氣中的O3前體物發(fā)生光化學反應使得近地面ρ(O3)逐漸升高，是O3的生成階段（韓夢鑫等，2018），而后因太陽輻射的減弱而降低。

圖5 武夷山市ρ(O3)日變化圖Fig. 5 Daily variation of ρ(O3) in Wuyishan City

2.5 ρ(O3-8 h)與氣象要素相關性分析

利用SPSS 22.0計算武夷山市 2015—2019年ρ(O3-8h)與氣象因素的相關性。由表2可知，ρ(O3-8h)與日最高氣溫、日平均風速、太陽日總輻射和日照時數(shù)，通過雙側0.01水平的顯著性檢驗，呈顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.370**、0.402**、0.564**、0.565**；ρ(O3-8h)與日平均相對濕度呈極顯著負相關，相關系數(shù)?0.646**。而日平均氣壓、日平均氣溫和日降水量與ρ(O3-8h)相關性不明顯。故重點分析ρ(O3-8h)與日最高氣溫、風速、太陽日總輻射、日照時數(shù)和相對濕度的相關性。

表2 氣象因素與ρ(O3-8 h)相關性Table 2 Correlation coefficient between meteorological factors and ρ(O3-8 h)

2.5.1 氣溫對ρ(O3-8h)的影響

研究表明，氣溫的升高對O3的生成有顯著影響（劉超等，2020）。根據(jù)表2可知，ρ(O3-8h)與平均氣溫的相關性較低，利用日最高氣溫資料與ρ(O3-8h)數(shù)據(jù)進行擬合，由圖6可知，隨著氣溫的升高，ρ(O3-8h)明顯增加。日最高氣溫的變化與太陽輻射強度和日照時數(shù)有直接關系，氣溫升高，光化學反應產(chǎn)生的O3就增多。

圖6 日最高氣溫與ρ(O3-8 h)擬合關系散點圖Fig. 6 Scatter diagram of fitting relationships between daily maximum temperature and ρ(O3-8 h)

由表3可知，當日最高氣溫在25 ℃以下時，ρ(O3-8h)小于 80 μg·m?3且無超標情況出現(xiàn)，即不超過二級標準濃度限值 160 μg·m?3。當氣溫為 25—30 ℃及 30—35 ℃時超標率分別為 38.1%和 61.9%。同時，可以看出當氣溫高于 25 ℃時，ρ(O3-8h)明顯升高，從 79.0 μg·m?3上升到了 87.9 μg·m?3。當氣溫高于 35 ℃時，ρ(O3-8h)反而降低了，這說明高溫天氣不一定會導致較高濃度的 O3污染，這可能與高溫天氣發(fā)生時伴隨著如降雨、高濕度、大風等天氣有關（趙偉等，2019）。

2.5.2 相對濕度對ρ(O3-8h)的影響

結合圖7和表3可知，相對濕度與ρ(O3-8h)存在明顯的負相關關系，特別是當相對濕度低于 70%時，出現(xiàn)了ρ(O3-8h)超標的情況，在50%—55%及55%—60%兩個區(qū)間超標率最高，都達到了 33.3%，在55%—60%區(qū)間ρ(O3-8h)更是達到了 121.4 μg·m?3。這與安俊琳等（2009）發(fā)現(xiàn)的當相對濕度在60%左右時，光化學反應強度存在極限值這一結論一致。當相對濕度>60%后，ρ(O3-8h)與超標率都出現(xiàn)明顯下降。這主要是因為：（1）高相對濕度有利于O3濕沉降作用（潘本鋒等，2016），從而使ρ(O3)下降；（2）太陽輻射是光化學反應的重要條件之一，在水汽的作用下會因消光機制發(fā)生衰減（劉晶淼等，2003），不利于O3產(chǎn)生。

圖7 相對濕度與ρ(O3-8 h)擬合關系散點圖Fig. 7 Scatter diagram of fitting relationships between relative humidity and ρ(O3-8 h)

表3 2015—2019年武夷山市不同日最高溫、日平均相對濕度及日平均風速下ρ(O3-8 h)超標率和濃度均值Table 3 Over-limit ratio of ρ(O3-8 h) and ρ(O3-8 h) in different daily maximum temperature, relative humidity, average wind speed in Wuyishan City from 2015 to 2019

2.5.3 平均風速對ρ(O3-8h)的影響

從圖8可以看出，武夷山市全年風速較小，主要范圍在0.5—2.0 m·s?1，風速對O3污染的影響主要是遷移擴散作用，可將 O3從污染嚴重的區(qū)域向下風向輸送，水平方向上的傳輸作用會對 O3濃度進行稀釋（李順姬等，2018），而武夷山市ρ(O3-8h)與平均風速呈正相關關系（相關系數(shù)為 0.402）。結合表3可以看出，當風速≤2.0 m·s?1時，隨著風速的增加，ρ(O3-8h)增大，超標頻率也隨之增加，而當風速>2.0 m·s?1時，超標率隨風速的增加呈顯著下降趨勢。推測當風速>2.0 m·s?1時，武夷山市O3污染主要來源于上風向的污染遷移，且風速的增大使得垂直動量輸送加強，進而促使對流層頂高濃度 O3向地面?zhèn)鬏?；而在風速較低時，O3水平擴散作用弱于 O3的向下輸送作用，從而導致超標率隨著風速的增大而增加（朱毓秀等，1994；嚴茹莎等，2013）。

圖8 平均風速與ρ(O3-8 h)擬合關系散點圖Fig. 8 Scatter diagram of fitting relationships between average wind velocity and ρ(O3-8 h)

3 結論

（1）2015—2019年武夷山市的首要污染物 O3的天數(shù)呈逐年增加的趨勢，從2015年的47 d增加到了2017—2019年100 d左右。

（2）武夷山市ρ(O3-8h)月變化特征基本上呈現(xiàn)兩個高峰，第一次高峰出現(xiàn)在 4—5月，第二次高峰出現(xiàn)在9—10月。

（3）武夷山市3個環(huán)境監(jiān)測點的ρ(O3)分布均呈現(xiàn)單峰型分布，最高值出現(xiàn)在 14:00，而后開始下降，最低值出現(xiàn)在07:00。

（4）ρ(O3-8h)與日最高氣溫、日平均風速、太陽日總輻射和日照時數(shù)，呈顯著正相關，相關系數(shù)分別為 0.370**、0.402**、0.564**、0.565**；當氣溫高于25 ℃時，ρ(O3-8h)明顯升高，當氣溫高于35 ℃時，ρ(O3-8h)反而降低。ρ(O3-8h)日均值與相對濕度呈顯著負相關，相關系數(shù)為?0.646**，在相對濕度 45%—70%時出現(xiàn)ρ(O3-8h)超標情況。

（5）武夷山市全年風速較小，主要范圍在 0.5—2.0 m·s?1，當風速≤2.0 m·s?1時，隨著風速的增加，ρ(O3-8h)均值增大，超標頻率也隨之增加。而當風速>2.0 m·s?1時，超標率隨風速的增加而顯著下降。