福州市太陽總輻射變化特征及與PM、O3關系分析

王宏，鄭秋萍，蔣冬升，廖廓

1.福建省災害天氣重點實驗室，福建 福州 350001；2.福建省氣象科學研究所，福建 福州 350001；3.福建省環境監測中心站，福建 福州 350003

太陽輻射是地球生態系統中最主要的能量來源，是天氣氣候形成和演變的基本動力，是人類可開發、利用的重要自然資源（汪方等，2008；石玉林，2006；汪凱等，2010）。地面太陽總輻射由太陽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）許多學者在對我國近幾十年來太陽總輻射變化趨勢分析的同時，研究了氣溶膠輻射強迫效應對太陽輻射變化的影響；齊月等（2014），李曉文等（1998），查良松（1996）研究發現大致以 1990年為界，之前中國大部分地區的太陽總輻射呈現減少趨勢，并推測是由于人類大量燃燒化學能源，使得大氣中的氣溶膠（顆粒物）濃度增加，導致大氣污染加劇，污染物本身能反射以及散射太陽輻射，導致到達地面的太陽輻射減小。馬金玉等（2012）對1961—2009年全國 58個氣象站太陽總輻射變化趨勢分析發現在省級大城市中太陽總輻射下降明顯的站點約占三分之二，主要原因可能是省級大城市城市化進程較快，人為活動相對頻繁，一次性能源消耗相對較多，導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）研究發現PM2.5是影響總輻射的重要人為因子，二者之間有明顯的負相關關系，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23個站點的太陽日輻射和空氣污染指數（API）資料分析，發現二者呈現顯著的負相關關系，并建立了基于API的太陽日總輻射計算模型DSRM-Y，用該模型估算的太陽日總輻射值與實測值在平均偏差、均方根誤差以及誤差分析等方面均表現出較好的擬合效果；同時文末也指出新的《環境空氣質量標準》（GB3095—2012）利用空氣質量指數（AQI）評價空氣質量好壞；AQI不同于API，API由3種污染物（SO2、NO2、PM10）綜合評價得到，AQI由 6種污染物（SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3、CO）綜合評價得到，那么在眾多指標中，受到太陽總輻射影響較大的因子可能就不僅僅是ρ(PM10)（ρ代表質量濃度），也可能是ρ(PM2.5)、ρ(O3)、ρ(NO2)等，因此模型的有效性將降低，所以應該針對研究城市當日主要污染物濃度進行分析建模，以增強模型的有效性，提升模型精度。在福州市利用AQI評價空氣質量后，太陽總輻射與空氣質量的關系就從單一的影響ρ(PM)高低到主要影響ρ(PM)和ρ(O3)高低轉變，二者之間就不再是簡單的負相關關系，因為太陽輻射越強ρ(PM)越低，ρ(PM)的持續下降導致了 O3生成所需的光化輻射通量增加，使得ρ(O3)會越高（劉新春等，2014），所以太陽總輻射與空氣質量的相關關系取決于當天的首要污染物，進而決定并影響空氣質量的好壞。

對流層 O3是光化學煙霧事件、大氣光化學污染中最重要的污染物之一，作為一種反應性極高、氧化性較強的痕量氣體，O3對大氣化學過程、氣候變化、生態環境和人體健康均能產生重要的影響或危害。隨著城市化進程的加快城市熱島、城市極端天氣事件頻發（王煜東等，2014；劉德義等，2010），而 O3污染是當下環境空氣質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的污染形勢日趨嚴峻，特別是沿海地區，近幾年ρ(O3)升高很快，O3作為首要污染物的天數已超過PM，2017—2018年空氣質量等級超過一級標準限值且首要污染物為O3的，占全年的85%以上，O3年超標天數最多的是中部沿海城市莆田市，連續2 a O3污染天數超過40 d，空氣質量優良率低于90%。奇奕軒等（2017），易睿等（2015），王占山等（2016）研究指出導致ρ(O3)升高并超標的氣象因素有強紫外線輻射、長時間日照、持續高溫和低濕度，這些都與太陽總輻射強度有關。因此本文利用福州市太陽總輻射、PM和O3觀測資料，采用趨勢分析、相關分析、對比分析等方法，研究太陽總輻射的時間分布規律、變化特征及與PM、O3相關關系，旨在歸納太陽總輻射變化對空氣質量的影響規律。

1 數據與方法

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

環境監測資料 PM10為 2007—2018年，PM2.5和O3為2014—2018年福州市6個環境監測國控點ρ(PM10)、ρ(PM2.5)、ρ(O3)逐時連續監測資料。ρ(PM10)日均值、ρ(PM2.5)日均值及ρ(O3)8 h滑動平均最大值（以下簡寫為ρ(O3)-max-8 h）的超標限值參照GB3095—2012《環境空氣質量標準》和 HJ633—2012《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》，其中ρ(O3)-max-8 h＞100 μg·m-3為超一級標準限值，＞160 μg·m-3為超二級標準限值，且1 d中只要有一個時次ρ(O3)-max-8 h超二級標準限值，則代表該天ρ(O3)超標。

2 結果與分析

2.1 太陽總輻射時間分布規律

2.1.1 年分布規律

根據福州市太陽總輻射資料統計分析，2007—2018年福州市太陽總輻射年平均值為 4625 MJ·m-2，±標準差 251 MJ·m-2，歷年波動值在 4254—5131 MJ·m-2之間。由圖1可見，近12 a福州市太陽年總輻射呈上升的趨勢，平均上升率為6.7%/10 a，R2（R為相關系數）為0.1286，通過0.05顯著性檢驗。太陽年總輻射最高值出現在 2014年（5131 MJ·m-2），最低值出現在 2015年（4254 MJ·m-2）。

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

2.1.2 月季分布規律

如圖2所示，橙色帶三角標識的為2007—2018年福州市太陽總輻射月平均值變化曲線，由圖可見福州市太陽總輻射月變化呈現單峰型，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年福州市太陽總輻射月變化Fig.2 Monthly variation of total solar radiation in Fuzhou from 2007 to 2018

2.2 太陽年總輻射與ρ(PM)年平均值相關分析

2007—2018 年福州市太陽年總輻射與ρ(PM10)年平均值相關系數為-0.212，呈現負相關關系；由圖3可見2007—2018年福州市ρ(PM10)年平均值下降趨勢明顯，平均下降率為2.3%/1 a；2014—2018年福州市年平均ρ(PM2.5)也呈現明顯下降趨勢，平均下降率為5.4%/1 a。太陽總輻射與ρ(PM)呈反相關關系，一般情況下太陽輻射加強，有利于氣溫升高、濕度下降，邊界層抬升，大氣熱力和動力條件較好，使得PM水平輸送和垂直擴散能力增強，從而導致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境治理力度，對PM的治理取得明顯成效有關，就全國范圍而言，近些年各級政府和生態環境職能部門對 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，太陽總輻射量增加的同時，又引起了O3污染有所加重（見2.3節析），且對O3的治理成效還不顯著。

2.3 ρ(O3)變化趨勢分析

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)日均值描述統計，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，最小值出現在 2016年，最大值出現在2014年；ρ(O3)-max-8 h年最大值變化范圍為 152—207 μg·m-3，最小值也出現在 2016 年，ρ(O3)-max-8 h 為 152 μg·m-3，＜160 μg·m-3未超過環境空氣質量二級標準限值，最大值出現在 2017年，ρ(O3)-max-8 h 為 207 μg·m-3＞160 μg·m-3超二級標準限值，達到輕度污染級別，其次是 2014年和2018年（均超二級標準限值）。從ρ(O3)和ρ(O3)-max-8 h的“年平均值±標準差”分析可得2014、2017—2018這3 a福州市O3污染較為嚴重，從圖4可見2018年福州市ρ(O3)超標天數最多，達到23 d，其次是2017年14 d，2014年12 d，這與2014年是近 5 a太陽年總輻射量最大的一年，以及 2017—2018年全省太陽輻射強，氣溫異常偏高，高溫次數多、范圍廣、時間長、極值高，日照明顯偏多，登陸和影響臺風整體影響偏弱（福建省氣象局，2017年福建省氣候公報；2018年福建省氣候公報）有密切關系；對比2015—2016年，福州市O3超標天數分別為3 d和0 d，這與2015年是近5 a福州市太陽年總輻射量最小的1 a，以及2016年登陸影響福州市的臺風多、強度強，雨季暴雨頻發、降水量大有密切關系。可見太陽總輻射對ρ(O3)的影響是非常顯著的（見2.4節分析）。

表1 2014—2018年福州市ρ(O3)日均值描述統計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)超標天數對比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 7—8月，太陽總輻射最強的月份反而不是ρ(O3)月平均值的高值區；谷值通常出現在1 a中最冷的1月或12月。

從圖5分析ρ(O3)月分布呈現雙峰型，10月是最明顯的高值區，其次是4—6月，研究（王宏等，2018）表明，福建省沿海地區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)超標天數最多的季節，而夏季節并不是福建省ρ(O3)最高、超標天數最多的季節，原因是雖然夏季氣溫高，太陽輻射強，日照時間長，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力條件較好，大氣的垂直擴散能力較強，所以高濃度O3持續時間不長，夜里ρ(O3)下降很快，且谷值很低，所以ρ(O3)8 h滑動平均值不高，一般不易形成超標現象，從圖5也可見7—8月反而是ρ(O3)的相對低值區。

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 太陽日總輻射與ρ(O3)日均值、ρ(O3)-max-8 h的相關性分析

圖6是2014—2018年福州市太陽日總輻射量與ρ(O3)日均值分布散點圖，如圖可見二者呈現正相關關系，R2為0.2045，相關系數為0.452，通過0.01顯著性檢驗。

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

圖7是同時間段，太陽日總輻射量與日ρ(O3)-max-8 h分布散點圖，二者呈現顯著正相關關系，R2為0.3532，相關系數為0.594，通過0.01顯著性檢驗。利用ρ(O3)-max-8 h計算得 IAQI（ρ(O3)）（ρ(O3)空氣質量分指數）與太陽日總輻射量的相關系數為0.572，二者呈現顯著正相關關系，通過0.01顯著性檢驗。綜上分析可見太陽總輻射越強，ρ(O3)越高，空氣質量分指數越大，如果ρ(O3)超過一級標準限值，且是首要污染物，則空氣質量越差。

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

2.5 太陽日總輻射與空氣質量的關系

根據 2.3節分析，福州市ρ(O3)月分布規律結果為10月和4—6月是1 a中ρ(O3)較高的月份，盛夏季節7—8月，太陽總輻射最強的月份反而是ρ(O3)月平均的相對低值區，另一谷值區出現在 1月和12月。

2.5.1 利用API評價空氣質量

在2013年前（含2013年），福州市利用API（空氣污染指數）評價空氣質量，首要污染物100%都是PM10，太陽總輻射與ρ(PM10)呈現反相關性，太陽總輻射越強，ρ(PM10)越低，空氣質量越好。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月空氣質量最差，ρ(PM10)平均值全年最高，且全國絕大部分城市都遵循這樣的季節分布規律。

2.5.2 利用AQI評價空氣質量

2014至今，利用AQI（空氣質量指數）評價空氣質量時，福州市不同季節、不同月份空氣質量的好壞就沒有一致的規律性了。表 2通過對比 2014—2018 年不同月份 IAQI（SO、NO2、PM10、PM2.5、CO、O3）以及空氣質量的優良率，統計 5年來福州市空氣質量最好和最差的月份。

由表2可見，2014—2015年福州市空氣質量最差的月份是1月，首要污染物分別是NO2、PM2.5，空氣質量的優良率只有80%左右；最好的月份是7月和8月，首要污染物分別是O3、PM10，空氣質量的優良率均為 100%，沒有出現污染物超標現象。2016年是典型的厄爾尼諾年，臺風多，降水強，空氣質量最好的月份是 10月，該月受到多個臺風和冷空氣的共同影響，大氣擴散、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，高溫次數多、范圍廣、時間長、極值高，日照時數明顯偏多，登陸和影響臺風整體影響偏弱）導致全省 O3污染明顯增強，特別是沿海地區ρ(O3)迅速上升，O3超標天數急劇增加。2017—2018年福州市空氣質量最好的月份分別是6月和12月，優良率100%，而夏季已不是這2 a空氣質量最好的季節了，相比之下冬季的空氣質量相對好些，春季空氣質量狀況最差；空氣質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月福州市空氣質量的優良率只有77.4%，這2 a的春季均是福州市空氣質量最差的季節，因為 O3污染較為嚴重，超標天數最多，在太陽輻射強，日照時間長，空氣濕度小，氣溫日較差大，大氣擴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，造成空氣質量明顯下降。而夏季雖然太陽輻射強度更強，但大氣熱力和動力條件好，污染物稀釋、擴散能力較強，所以高濃度 O3持續時間不長，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滑動平均最大值也不易超標。

3 小結與討論

（1）2007—2018年福州市太陽總輻射年平均值為 4625 MJ·m-2，±標準差 251 MJ·m-2，歷年波動值在4254—5131 MJ·m-2之間，太陽年總輻射呈上升趨勢，平均上升率為6.7%/10 a。

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

（3）福州市太陽年總輻射與ρ(PM10)年平均值相關系數為-0.212，呈現負相關關系，ρ(PM10)、ρ(PM2.5)年平均值均呈現明顯下降趨勢，說明近年來福州市政府對PM治理成效顯著。

（4）隨著大氣中ρ(PM)逐年降低，太陽總輻射量增加，又引起了O3污染日趨嚴重的問題，2014、2017、2018這3年福州市O3污染較為嚴重，2018年福州市ρ(O3)超標天數達到 23 d，這與太陽輻射強度強，氣溫異常偏高，高溫次數多、范圍廣、時間長、極值高，日照時數明顯偏多有密切關系。

（5）受太陽輻射增強的影響 2017—2018年福州市空氣質量最好的月份分別是6月和12月，夏季已不是這2 a空氣質量最好的季節了，相比之下冬季節的空氣質量相對好些；空氣質量最差月份分別是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量最差的季節，O3污染較為嚴重，超標天數最多。

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