福建省沿海地区春季一次近地层O3超标成因分析

王 宏, 郑秋萍, 洪振宇, 黄艳艳

1.福建省气象科学研究所, 福建 福州 350001

2.中国科学院城市环境研究所, 福建 厦门 361021

3.福建省环境监测中心站, 福建 福州 350003

O3是光化学烟雾中最重要的污染物之一，是大气环境治理的关注点，近几年我国对PM2.5的治理取得了较大成效，但对O3的治理成效仍不显著，与不断下降的ρ(PM2.5)、ρ(PM10)相比，O3的预测、预报及改善治理更有难度，这对开展O3与气溶胶相互影响机制与协同控制等研究提出了迫切的要求[1-3]. 近地层O3是影响对流层大气动力、热力、辐射、化学等过程的关键成分，也是引发城市光化学烟雾事件的主要成分，在气候和环境变化中扮演非常重要的角色，O3的增加一方面是由于人类活动造成NOx(氮氧化物)、CO(一氧化碳)、NMHC(非甲烷碳氢化合物)、CH4(甲烷)等O3前体物的增加导致[4]，另一方面是气象条件在O3的生成、沉降、输送和稀释中起到了重要的作用[5-8]. 福建省PM(PM10、PM2.5)污染相对较轻，2014—2017年ρ(PM10)年均值范围为45～60 μgm3，ρ(PM2.5)年均值范围为26～30 μgm3，与PM相比O3的污染形势日趋严峻，特别是沿海地区O3作为首要污染物的天数已超过PM. 研究[9]表明，福建省沿海地区的ρ(O3)普遍高于内陆地区，春季和秋季ρ(O3)较高，其中，春季是一年中ρ(O3)超标天数最多的季节，而冬季ρ(O3)最低； 夏季气温高，太阳辐射强，日照时间长，最有利于O3的生成，ρ(O3)峰值较高，但夏季并不是福建省ρ(O3)最高、超标天数最多的季节，原因是夏季大气热力和动力条件较好，即大气的垂直扩散能力较强，所以高ρ(O3)持续时间不长，夜间ρ(O3)下降较快，所以一般不易形成超标现象. 2017年是福建省有记录以来O3污染最严重的一年，主要原因是2017年特殊天气气候背景(全省气温异常偏高，高温次数多、范围广、时间长、极值高，日照偏多，登陆和影响福建省的台风整体影响偏弱)[10]对ρ(O3)升高，特别是沿海地区ρ(O3)超标天数急剧增加有重要作用.

自19世纪中期科学家发现了O3的化学结构以来，针对O3的变化特征[11-13]、科学观测试验[14-17]、影响因素[18-22]等开展了大量的研究. 近年来，学者们对O3的季节性变化进行分析，也得出了较为明确的结论. 在东亚以及大部分北半球中纬度清洁背景地区或沿海地区的观测表明，ρ(O3)春季达到最大值，夏季ρ(O3)最低(福建省是冬季最低)，春季ρ(O3)最高与东亚夏季风的推进过程有关，与局地光化学反应、区域间长距离输送、平流层或对流层下沉输送等有关[23]. 梁卓然等[24]研究表明，杭州市地面ρ(O3)在春季和夏季较高，均为ρ(O3)超标易发时段，受局地气象要素影响显著. 杨健等[25]研究表明，随着高空槽的发展与切断，高空槽的底部及切断低压四周ρ(O3)有显著增加，对流层顶折叠使高空O3向下输送，这种向下输送可以到达对流层中部. 梁昱等[26]研究表明，上海市春季O3污染主要受来自海洋的东南风影响，高浓度O3污染的本地生成贡献显著. 不同区域O3时间分布规律不一致，成因也各不相同[27]，因此加强本区域近地层O3时空分布特征[28-29]，垂直分布特征[30]，局地环流输送[31]以及天气学成因、关键气象影响因子等分析[32-35]，对中短期O3趋势预测有非常重要的意义.

该研究利用2017年4月25日—5月2日福建省沿海6个城市ρ(O3)和ρ(PM2.5)小时均值资料，分O3污染前(4月25日08:00—4月26日08:00)、污染维持(4月26日08:00—5月2日00:00)、污染后(5月2日00:00—5月3日00:00)3个阶段，再将污染维持阶段分为4个区，结合天气形势和气象要素场的变化，采用统计对比的方法，详细分析此次O3污染过程形成的机制，以期揭示复杂多样的天气原因及其相互作用的结果对O3污染生成、维持、消散的影响.

1 数据与方法

O3、PM2.5资料为福建省沿海6个城市(宁德市、福州市、莆田市、泉州市、厦门市、漳州市)统计时段内ρ(O3)、ρ(PM2.5)逐时连续监测资料.ρ(O3)小时均值、ρ(O3)最大8 h滑动平均值〔简称“ρ(O3)-max-8 h”〕、ρ(PM2.5)日均值的超标限值参照GB 3095—2012《环境空气质量标准》和HJ 633—2012《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》.ρ(O3)小时均值>160 μgm3为超过一级标准限值，>200 μgm3为超过二级标准限值；ρ(O3)-max-8 h>100 μgm3为超过一级标准限值，>160 μgm3为超过二级标准限值，>215 μgm3为超过三级标准限值，且一天中只要有一个时刻ρ(O3)-max-8 h超过二级标准限值，则代表该日ρ(O3)超标.ρ(PM2.5)日均值>35 μgm3为超过一级标准限值，>75 μgm3为超过二级标准限值，ρ(PM2.5)日均值超过二级标准限值，则代表该日ρ(PM2.5)超标.

气象常规观测资料为气温、降水、日照、相对湿度、风向、风速等小时观测资料. 天气形势根据08:00或20:00东亚地面天气图及850、500 hPa高空图分型[36].

2 结果与讨论

2.1 污染过程概述

由图1和表1可见，2017年4月26日—5月1日福建省沿海城市持续5～6 d出现不同程度、大范围、长时间的O3污染过程，其中中部沿海地区污染最为严重，有5 d(4月26日、4月28日—5月1日)出现ρ(O3)小时均值超过200 μgm3，有6 d(4月26日—5月1日)ρ(O3)-max-8 h超过或接近160 μgm3，其中4月30日莆田市ρ(O3)-max-8 h超过三级标准限值，空气质量等级达到中度污染，ρ(O3)小时均值最高达256 μgm3. 这是一次典型的春季O3污染的天气过程，但ρ(O3)超标的原因并不单一，在锋前暖区、强冷空气入侵、冷高压控制、变性冷高压影响等天气形势的依次作用下，导致ρ(O3)持续出现超标.

图1 2017年4月25日—5月2日福建省沿海6个城市ρ(O3)小时均值变化情况Fig.1 Hourly variation of ozone concentration in six coastal cities of Fujian Province from April 25th to May 2nd, 2017

由图1和表1可见：4月26日10:00左右全省ρ(O3)出现迅速上升，中部沿海地区(莆田市和泉州市)最为明显，15:00莆田市ρ(O3)小时均值最高达229 μgm3，而后ρ(O3)下降，但20:00—24:00并没有到达谷值而是维持在相对高值区，22:00—24:00沿海6个城市ρ(O3)-max-8 h陆续达到一天中的最高值；27日全天沿海城市ρ(O3)维持在70～140 μgm3，没有明显的日变化规律；从28日起，ρ(O3)出现明显的日变化规律，此后4 d(4月28日—5月1日)11:00—18:00ρ(O3)小时均值出现超过160 μgm3(甚至超过200 μgm3)、ρ(O3)-max-8 h超过二级标准限值的现象，其中，莆田市O3污染最为严重，空气质量连续4 d为轻度到中度污染，其次是泉州市和漳州市，北部沿海(宁德市、福州市)也出现了空气质量轻度或接近轻度污染的情况，只有厦门市没有出现ρ(O3)超标的现象；5月2日，中南部沿海城市ρ(O3)明显下降，北部略有下降，沿海6个城市均降至一级标准限值以下，此次污染过程趋于结束.

表1 2017年4月25日—5月2日福建省沿海城市ρ(O3)-max-8 h对应的AQI及空气质量等级

注：括号中为AQI对应的空气质量等级.

2.2 污染过程分析

将此次O3污染全过程分为污染前、污染维持、污染后3个阶段，再将污染维持阶段分为1区(污染维持第一阶段)、2区(污染维持第二阶段)、3区(污染维持第三阶段)、4区(污染维持第四阶段)，分别分析相应的天气形势和气象要素配置，结合ρ(O3)小时均值和ρ(PM2.5)小时均值的变化趋势(见图1、2)，分析导致ρ(O3)超标的主要原因.

图2 2017年4月25日—5月2日福建省沿海6个城市ρ(PM2.5)小时均值变化情况Fig.2 Hourly variation of PM2.5 concentration in six coastal cities of Fujian Province from April 25th to May 2nd, 2017

2.2.1污染前阶段ρ(O3)与ρ(PM2.5)特征分析

4月25日，沿海城市多为阴天，有弱降水，相对湿度(80%～90%)较大，平均风速小，大气扩散条件一般，基本无日照，不利于ρ(O3)升高，ρ(O3)-max-8 h未超过一级标准限值，ρ(O3)分布有明显的日变化特征；由于天气静稳、大气扩散条件一般，ρ(PM2.5)日均值超过一级标准限值，PM2.5为4月25日的首要污染物，空气质量等级为良.

2.2.2污染维持阶段ρ(O3)与ρ(PM2.5)特征分析

以莆田市为例，将污染维持阶段4月26日—5月1日ρ(O3)小时均值和ρ(PM2.5)小时均值变化进行分区(见图3)，污染维持阶段主要气象要素变化见表2.

2.2.2.1污染维持1区(污染维持第一阶段)ρ(O3)与ρ(PM2.5)特征分析

由图3可见，4月26日08:00—16:00莆田市ρ(O3)出现迅速上升，08:00起上升速率达每小时29.1 μgm3，O3生成效率较高. 此时沿海城市位于强冷空气前锋的锋前暖区内，最高气温为28～29 ℃，大气光化学作用强，光化学反应剧烈是导致ρ(O3)迅速升高的主要原因，再加上锋前暖区温高湿重、天气静稳，大气扩散条件差，本地生成的O3、PM2.5累积在近地层，导致14:00—16:00ρ(O3)超过200 μgm3，ρ(PM2.5)超过75 μgm3，二者均超过二级标准限值，空气质量等级为轻度污染. 大气扩散条件差是导致本地生成的O3和PM2.5聚集在近地层，从而使二者达到高值的原因. 该阶段ρ(O3)超标成因主要是剧烈的光化学反应和较差的大气扩散条件共同作用的结果，且ρ(O3)分布有明显的日变化规律.

图3 2017年4月25日—5月2日莆田市ρ(O3)和ρ(PM2.5)小时均值变化Fig.3 Hourly variation of O3 and PM2.5 concentration in Putian City from April 25th to May 2nd in 2017

表2 2017年4月25日—5月2日莆田市各气象要素实况值

2.2.2.2污染维持2区(污染维持第二阶段)ρ(O3)与ρ(PM2.5)特征分析

4月26日16:00后，强冷空气入侵，沿海地区陆续出现大风、强降水、强降温，而ρ(O3)没有出现明显下降，维持在90～110 μgm3，在大风和强降水的稀释、扩散、清除下，ρ(PM2.5)迅速下降，从60～80 μgm3降至5 μgm3.

4月27日在强冷高压控制下，沿海城市受东北大风影响，天气阴，有零星小雨，基本无日照，气温明显下降，最高气温18 ℃左右，较前一天下降了10 ℃. 从沿海(罗源站)风廓线雷达资料分析，4月26日16:00—27日00:00，4 000 m以下下沉气流明显加强，垂直速度为2～3 ms，这与冷空气入侵和影响时间吻合. 27日白天沿海地区仍存在较为明显的下沉气流，垂直速度为1～3 ms. 27日全天沿海城市的ρ(O3)维持在70～140 μgm3，且从08:00开始ρ(O3)上升速率每小时只有7～8 μgm3，不利的天气条件(阴天、无日照、低温等)导致光化学反应速率不高，该阶段虽没有出现ρ(O3)超标现象，但ρ(O3)也没出现明显的谷值，ρ(O3)分布没有明显的日变化规律. 而ρ(PM2.5)全天持续维持在10～20 μgm3，颗粒物质量浓度低，大气能见度高.

沿海地区4月26日20:00—27日21:00持续24 h以上ρ(O3)维持在高值区，且ρ(O3)没有明显的日变化规律，分析发现上游城市(上海市、杭州市、温州市)同时段ρ(O3)并不比福建省沿海高，所以排除O3由上游区域输送南下的可能.ρ(O3)持续24 h以上维持在高值区基本可以认为是由于强冷空气入侵以及对流层顶折叠导致中高层O3随着强冷平流下沉输送所致，至27日21:00—22:00ρ(O3)开始出现下降，ρ(O3)谷值的出现说明输送结束，从风廓线雷达资料也可分析得到27日21:00后，垂直下沉气流减弱，垂直风速(趋于0 ms)减小.

虽然没有观测资料佐证强冷空入侵高层向下输送O3，但此类情况在福建省春季较为常见. 有研究[37-40]表明,O3存在下传的可能，因为O3与天气过程及水平和垂直方向的动力传输有关，由于极锋急流的作用，与高空锋生、切断低压等天气动力过程联系密切的对流层顶折叠常引发平流层和对流层O3交换，平流层空气下传为主的交换是中纬地区春季对流层O3增加的重要源. Kunz等[37]指出，在冷锋通过后可以识别出3种典型的地面ρ(O3)变化，在某些情况下，由于富含O3的空气从平流层向下混合，通过对流层顶折叠进入对流层，使近地层ρ(O3)增加. 崔宏等[38]2001年春季在临安市进行的O3垂直探测发现，3月25—31日有一次明显的ρ(O3)异常增加过程，结合分析地面及高空气象要素演变和高空位势涡度的变化表明，这是一次显著的平流层空气由上向下穿过对流层顶深入对流层的下传过程. 郑向东等[39]在1996年8月1日发现，西宁市对流层异常O3次峰现象，确认对流层顶折叠和平流层向下输送是O3次峰出现的动力机制. 刘小红等[40]在利用北京市325 m气象塔观测的φ(O3)变化分析中指出，1997年10月22日由于冷锋过境，对流层顶折叠造成平流层O3向低层输送，导致280和47 m高度φ(O3)快速增加.

2.2.2.3污染维持3区(污染维持第三阶段)ρ(O3)与ρ(PM2.5)特征分析

4月28—29日，受强冷高压控制，沿海地区天气晴朗、气温逐渐回升，最高气温为23～25 ℃，日照时间增加至11～12 h，光化学反应条件好，08:00开始ρ(O3)迅速上升，上升速率为平均每小时15～20 μgm3. 沿海地区出现较大范围ρ(O3)超标现象，空气质量等级为轻度污染；大气扩散条件总体较好，ρ(PM2.5)在15～30 μgm3之间，ρ(PM2.5)日均值未超过一级标准限值. 该阶段ρ(O3)超标成原因为光化学反应所致，且ρ(O3)分布呈明显的日变化规律.

2.2.2.4污染维持4区(污染维持第四阶段)ρ(O3)与ρ(PM2.5)特征分析

4月30日—5月1日，冷高压逐渐东移减弱，受变性冷高压影响，沿海地区大气层结趋于稳定，天气晴到多云，气温持续回升至26～28 ℃，日照时长维持在11 h左右，风速减小，湿度增加，4～5 d无明显降水，光化学反应剧烈加之静稳天气导致ρ(O3)和ρ(PM2.5)迅速上升，并累积在近地层，08:00开始ρ(O3)上升速率为平均每小时25～35 μgm3，4月30日莆田市13:00—18:00ρ(O3)超过200 μgm3，泉州市14:00ρ(O3)高达256 μgm3(过程峰值)，莆田市ρ(O3)-max-8 h 超过三级标准限值，空气质量等级为中度污染，4月30日是该过程O3污染最严重的一天. 该阶段O3为首要污染物，空气质量等级为轻度到中度污染，ρ(PM2.5)个别时次超过二级标准限值，ρ(O3)超标原因与光化学反应加本地累积有关，且ρ(O3)分布呈明显的日变化规律.

2.2.3污染后阶段ρ(O3)与天气特征分析

5月2日，中南部沿海阴天，西南气流加强，湿度增大，日照时数降至0～3 h，北部沿海地区日照时数为5～6 h，不利的气象条件导致中南部沿海城市ρ(O3)明显下降，北部沿海城市ρ(O3)有所下降，均降至一级标准限值以下，此次O3污染过程结束.

3 结论

a) 2017年4月26日—5月1日福建省沿海O3污染过程是一次典型的春季O3污染过程，该过程影响时间长、范围大，与夏季或秋季ρ(O3)超标不同，其形成的天气原因较为复杂多样. 在锋前暖区、强冷空气入侵、冷高压控制、变性冷高压影响等天气形势的依次作用下，ρ(O3)持续出现超标.

b) 污染前阶段(4月25日)，因弱降水、日照时间短，ρ(O3)-max-8 h未超过一级标准限值，但天气静稳，ρ(PM2.5)日均值超过一级标准限值，PM2.5为该日的首要污染物，空气质量等级良.

c) 污染维持第一阶段(4月26日08:00—16:00)，受锋前暖区天气形势影响，光化学反应作用明显，且天气静稳，二者共同作用导致14:00—16:00ρ(O3)和ρ(PM2.5)均超二级标准限值，且ρ(O3)分布有明显的日变化规律. 污染维持第二阶段(26日16:00—27日24:00)，强冷空气入侵，在冷空气影响的1～1.5 d，ρ(O3)均保持在高值区，峰值虽不高，但谷值也不低，ρ(O3)分布没有明显的日变化规律，而此天气形势下大气稀释、扩散、清除条件极好，ρ(PM2.5)极低. 污染维持第三阶段(4月28—29日)，冷高压控制，天气晴朗、气温回升、日照增加，光化学反应条件好，沿海地区出现较大范围ρ(O3)超标现象，空气质量等级为轻度污染，ρ(O3)超标是由于光化学作用剧烈导致的，且ρ(O3)分布有明显的日变化规律，该阶段大气扩散条件好，ρ(PM2.5)日均值未超过一级标准限值. 污染维持第四阶段(4月30日—5月1日)，冷高压减弱变性，在变性冷高压影响下大气扩散条件转差，ρ(O3)超标是由于局地光化学作用剧烈，O3生成效率高加之天气静稳累积效应明显，二者共同作用导致4月30日ρ(O3)达过程最高值，ρ(O3)-max-8 h超过三级标准限值，空气质量等级为中度污染，且ρ(O3)分布有明显的日变化规律，ρ(PM2.5)个别时次超过二级标准限值.

d) 污染后阶段(5月2日)，沿海地区西南气流加强，湿度增大，日照时数减少，光化学作用明显减弱，导致本地O3生成不多，即使大气扩散条件不利，ρ(O3)也不高，降至一级标准限值以下，污染过程结束.