福州市太阳总辐射变化特征及与PM、O3关系分析

王宏，郑秋萍，蒋冬升，廖廓

1.福建省灾害天气重点实验室，福建 福州 350001；2.福建省气象科学研究所，福建 福州 350001；3.福建省环境监测中心站，福建 福州 350003

太阳辐射是地球生态系统中最主要的能量来源，是天气气候形成和演变的基本动力，是人类可开发、利用的重要自然资源（汪方等，2008；石玉林，2006；汪凯等，2010）。地面太阳总辐射由太阳直接辐射和散射辐射组成，主要受纬度、海拔、云量和气溶胶等影响（Ma，2011；白建辉等，1994；Zuo et al.，1999）。蔡子颖等（2016），石广玉等（2008），郑有飞等（2011），邵振艳等（2009）许多学者在对我国近几十年来太阳总辐射变化趋势分析的同时，研究了气溶胶辐射强迫效应对太阳辐射变化的影响；齐月等（2014），李晓文等（1998），查良松（1996）研究发现大致以 1990年为界，之前中国大部分地区的太阳总辐射呈现减少趋势，并推测是由于人类大量燃烧化学能源，使得大气中的气溶胶（颗粒物）浓度增加，导致大气污染加剧，污染物本身能反射以及散射太阳辐射，导致到达地面的太阳辐射减小。马金玉等（2012）对1961—2009年全国 58个气象站太阳总辐射变化趋势分析发现在省级大城市中太阳总辐射下降明显的站点约占三分之二，主要原因可能是省级大城市城市化进程较快，人为活动相对频繁，一次性能源消耗相对较多，导致大气中影响辐射的要素，如气溶胶和温室气体等增加较快。胡森林等（2017）研究发现PM2.5是影响总辐射的重要人为因子，二者之间有明显的负相关关系，在合肥市PM2.5浓度每增加1 μg·m-3，地面总辐射下降0.92 W·m-2。喻丽等（2015）利用2001—2012年全国23个站点的太阳日辐射和空气污染指数（API）资料分析，发现二者呈现显著的负相关关系，并建立了基于API的太阳日总辐射计算模型DSRM-Y，用该模型估算的太阳日总辐射值与实测值在平均偏差、均方根误差以及误差分析等方面均表现出较好的拟合效果；同时文末也指出新的《环境空气质量标准》（GB3095—2012）利用空气质量指数（AQI）评价空气质量好坏；AQI不同于API，API由3种污染物（SO2、NO2、PM10）综合评价得到，AQI由 6种污染物（SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3、CO）综合评价得到，那么在众多指标中，受到太阳总辐射影响较大的因子可能就不仅仅是ρ(PM10)（ρ代表质量浓度），也可能是ρ(PM2.5)、ρ(O3)、ρ(NO2)等，因此模型的有效性将降低，所以应该针对研究城市当日主要污染物浓度进行分析建模，以增强模型的有效性，提升模型精度。在福州市利用AQI评价空气质量后，太阳总辐射与空气质量的关系就从单一的影响ρ(PM)高低到主要影响ρ(PM)和ρ(O3)高低转变，二者之间就不再是简单的负相关关系，因为太阳辐射越强ρ(PM)越低，ρ(PM)的持续下降导致了 O3生成所需的光化辐射通量增加，使得ρ(O3)会越高（刘新春等，2014），所以太阳总辐射与空气质量的相关关系取决于当天的首要污染物，进而决定并影响空气质量的好坏。

对流层 O3是光化学烟雾事件、大气光化学污染中最重要的污染物之一，作为一种反应性极高、氧化性较强的痕量气体，O3对大气化学过程、气候变化、生态环境和人体健康均能产生重要的影响或危害。随着城市化进程的加快城市热岛、城市极端天气事件频发（王煜东等，2014；刘德义等，2010），而 O3污染是当下环境空气质量改善所面临的最为突出问题（刘建等，2017；单源源等，2016）。福建省大气颗粒物（PM）污染相对较轻，2014—2018年，ρ(PM10)年平均范围为 40—60 μg·m-3，ρ(PM2.5)年平均范围为 20—30 μg·m-3，相比之下 O3的污染形势日趋严峻，特别是沿海地区，近几年ρ(O3)升高很快，O3作为首要污染物的天数已超过PM，2017—2018年空气质量等级超过一级标准限值且首要污染物为O3的，占全年的85%以上，O3年超标天数最多的是中部沿海城市莆田市，连续2 a O3污染天数超过40 d，空气质量优良率低于90%。奇奕轩等（2017），易睿等（2015），王占山等（2016）研究指出导致ρ(O3)升高并超标的气象因素有强紫外线辐射、长时间日照、持续高温和低湿度，这些都与太阳总辐射强度有关。因此本文利用福州市太阳总辐射、PM和O3观测资料，采用趋势分析、相关分析、对比分析等方法，研究太阳总辐射的时间分布规律、变化特征及与PM、O3相关关系，旨在归纳太阳总辐射变化对空气质量的影响规律。

1 数据与方法

太阳总辐射资料来源于福州市气象站 2007—2018年每日06:00—18:00晴空地面太阳总辐射（单位 MJ·m-2）观测值。

环境监测资料 PM10为 2007—2018年，PM2.5和O3为2014—2018年福州市6个环境监测国控点ρ(PM10)、ρ(PM2.5)、ρ(O3)逐时连续监测资料。ρ(PM10)日均值、ρ(PM2.5)日均值及ρ(O3)8 h滑动平均最大值（以下简写为ρ(O3)-max-8 h）的超标限值参照GB3095—2012《环境空气质量标准》和 HJ633—2012《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》，其中ρ(O3)-max-8 h＞100 μg·m-3为超一级标准限值，＞160 μg·m-3为超二级标准限值，且1 d中只要有一个时次ρ(O3)-max-8 h超二级标准限值，则代表该天ρ(O3)超标。

2 结果与分析

2.1 太阳总辐射时间分布规律

2.1.1 年分布规律

根据福州市太阳总辐射资料统计分析，2007—2018年福州市太阳总辐射年平均值为 4625 MJ·m-2，±标准差 251 MJ·m-2，历年波动值在 4254—5131 MJ·m-2之间。由图1可见，近12 a福州市太阳年总辐射呈上升的趋势，平均上升率为6.7%/10 a，R2（R为相关系数）为0.1286，通过0.05显著性检验。太阳年总辐射最高值出现在 2014年（5131 MJ·m-2），最低值出现在 2015年（4254 MJ·m-2）。

图1 2007—2018年福州市太阳总辐射年变化Fig.1 Annual variation of total solar radiation in Fuzhou from 2007 to 2018

2.1.2 月季分布规律

如图2所示，橙色带三角标识的为2007—2018年福州市太阳总辐射月平均值变化曲线，由图可见福州市太阳总辐射月变化呈现单峰型，总辐射从 1月（月平均8.5 MJ·m-2）开始增加，7月（月平均19.6 MJ·m-2）达到最高值，而后开始下降，12月（月平均7.6 MJ·m-2）降到最低值，但不同年份略有差异。平均而言夏季（7—9月）福州市太阳总辐射最丰富，春季（3—6月）次之，冬季（12月至翌年2月）最少。

图2 2007—2018年福州市太阳总辐射月变化Fig.2 Monthly variation of total solar radiation in Fuzhou from 2007 to 2018

2.2 太阳年总辐射与ρ(PM)年平均值相关分析

2007—2018 年福州市太阳年总辐射与ρ(PM10)年平均值相关系数为-0.212，呈现负相关关系；由图3可见2007—2018年福州市ρ(PM10)年平均值下降趋势明显，平均下降率为2.3%/1 a；2014—2018年福州市年平均ρ(PM2.5)也呈现明显下降趋势，平均下降率为5.4%/1 a。太阳总辐射与ρ(PM)呈反相关关系，一般情况下太阳辐射加强，有利于气温升高、湿度下降，边界层抬升，大气热力和动力条件较好，使得PM水平输送和垂直扩散能力增强，从而导致ρ(PM)下降。

福州市近5 a来ρ(PM)下降很快，这与市政府加大大气环境治理力度，对PM的治理取得明显成效有关，就全国范围而言，近些年各级政府和生态环境职能部门对 PM 的治理普遍取得了较好的成效，然而随着大气中ρ(PM)逐年降低，太阳总辐射量增加的同时，又引起了O3污染有所加重（见2.3节析），且对O3的治理成效还不显著。

2.3 ρ(O3)变化趋势分析

图3 2007—2018年福州市ρ(PM10)、2014—2018年ρ(PM2.5)年平均变化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)日均值描述统计，由表 1可见ρ(O3)日均值的年最大值变化范围为 117—172 μg·m-3，最小值出现在 2016年，最大值出现在2014年；ρ(O3)-max-8 h年最大值变化范围为 152—207 μg·m-3，最小值也出现在 2016 年，ρ(O3)-max-8 h 为 152 μg·m-3，＜160 μg·m-3未超过环境空气质量二级标准限值，最大值出现在 2017年，ρ(O3)-max-8 h 为 207 μg·m-3＞160 μg·m-3超二级标准限值，达到轻度污染级别，其次是 2014年和2018年（均超二级标准限值）。从ρ(O3)和ρ(O3)-max-8 h的“年平均值±标准差”分析可得2014、2017—2018这3 a福州市O3污染较为严重，从图4可见2018年福州市ρ(O3)超标天数最多，达到23 d，其次是2017年14 d，2014年12 d，这与2014年是近 5 a太阳年总辐射量最大的一年，以及 2017—2018年全省太阳辐射强，气温异常偏高，高温次数多、范围广、时间长、极值高，日照明显偏多，登陆和影响台风整体影响偏弱（福建省气象局，2017年福建省气候公报；2018年福建省气候公报）有密切关系；对比2015—2016年，福州市O3超标天数分别为3 d和0 d，这与2015年是近5 a福州市太阳年总辐射量最小的1 a，以及2016年登陆影响福州市的台风多、强度强，雨季暴雨频发、降水量大有密切关系。可见太阳总辐射对ρ(O3)的影响是非常显著的（见2.4节分析）。

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

图4 2014—2018年福州市ρ(O3)超标天数对比Fig.4 Comparisons of days exceeding the standard of ρ(O3) in Fuzhou from 2014 to 2018

由表 1分析可见ρ(O3)月平均值峰值出现的月份有所不同，但主要集中在9—10月（夏末和秋初）和 4—5月（春季），盛夏季节 7—8月，太阳总辐射最强的月份反而不是ρ(O3)月平均值的高值区；谷值通常出现在1 a中最冷的1月或12月。

从图5分析ρ(O3)月分布呈现双峰型，10月是最明显的高值区，其次是4—6月，研究（王宏等，2018）表明，福建省沿海地区10月和4—6月是ρ(O3)1 a中较高的月份，其中春季是1 a中ρ(O3)超标天数最多的季节，而夏季节并不是福建省ρ(O3)最高、超标天数最多的季节，原因是虽然夏季气温高，太阳辐射强，日照时间长，湿度小，最有利于 O3的形成且ρ(O3)峰值较高，但由于夏季大气热力和动力条件较好，大气的垂直扩散能力较强，所以高浓度O3持续时间不长，夜里ρ(O3)下降很快，且谷值很低，所以ρ(O3)8 h滑动平均值不高，一般不易形成超标现象，从图5也可见7—8月反而是ρ(O3)的相对低值区。

图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 太阳日总辐射与ρ(O3)日均值、ρ(O3)-max-8 h的相关性分析

图6是2014—2018年福州市太阳日总辐射量与ρ(O3)日均值分布散点图，如图可见二者呈现正相关关系，R2为0.2045，相关系数为0.452，通过0.01显著性检验。

图6 2014—2018年福州市太阳日总辐射量与ρ(O3)日均值散点图Fig.6 Scatter plots of total solar radiation and daily mean ρ(O3)in Fuzhou from 2014 to 2018

图7是同时间段，太阳日总辐射量与日ρ(O3)-max-8 h分布散点图，二者呈现显著正相关关系，R2为0.3532，相关系数为0.594，通过0.01显著性检验。利用ρ(O3)-max-8 h计算得 IAQI（ρ(O3)）（ρ(O3)空气质量分指数）与太阳日总辐射量的相关系数为0.572，二者呈现显著正相关关系，通过0.01显著性检验。综上分析可见太阳总辐射越强，ρ(O3)越高，空气质量分指数越大，如果ρ(O3)超过一级标准限值，且是首要污染物，则空气质量越差。

图7 2014—2018年福州市太阳日总辐射量与日ρ(O3)-max-8 h散点图Fig.7 Scatter plots of total solar radiation and daily mean ρ(O3)-max-8 h in Fuzhou from 2014 to 2018

2.5 太阳日总辐射与空气质量的关系

根据 2.3节分析，福州市ρ(O3)月分布规律结果为10月和4—6月是1 a中ρ(O3)较高的月份，盛夏季节7—8月，太阳总辐射最强的月份反而是ρ(O3)月平均的相对低值区，另一谷值区出现在 1月和12月。

2.5.1 利用API评价空气质量

在2013年前（含2013年），福州市利用API（空气污染指数）评价空气质量，首要污染物100%都是PM10，太阳总辐射与ρ(PM10)呈现反相关性，太阳总辐射越强，ρ(PM10)越低，空气质量越好。研究（王宏等，2018）表明福州市夏季特别是 7—8月空气质量最好，ρ(PM10)平均值全年最低，冬季特别是12月至翌年1月空气质量最差，ρ(PM10)平均值全年最高，且全国绝大部分城市都遵循这样的季节分布规律。

2.5.2 利用AQI评价空气质量

2014至今，利用AQI（空气质量指数）评价空气质量时，福州市不同季节、不同月份空气质量的好坏就没有一致的规律性了。表 2通过对比 2014—2018 年不同月份 IAQI（SO、NO2、PM10、PM2.5、CO、O3）以及空气质量的优良率，统计 5年来福州市空气质量最好和最差的月份。

由表2可见，2014—2015年福州市空气质量最差的月份是1月，首要污染物分别是NO2、PM2.5，空气质量的优良率只有80%左右；最好的月份是7月和8月，首要污染物分别是O3、PM10，空气质量的优良率均为 100%，没有出现污染物超标现象。2016年是典型的厄尔尼诺年，台风多，降水强，空气质量最好的月份是 10月，该月受到多个台风和冷空气的共同影响，大气扩散、清除能力好；最差的月份是3月，首要污染物为NO2。2017—2018年因天气气候原因（气温异常偏高，高温次数多、范围广、时间长、极值高，日照时数明显偏多，登陆和影响台风整体影响偏弱）导致全省 O3污染明显增强，特别是沿海地区ρ(O3)迅速上升，O3超标天数急剧增加。2017—2018年福州市空气质量最好的月份分别是6月和12月，优良率100%，而夏季已不是这2 a空气质量最好的季节了，相比之下冬季的空气质量相对好些，春季空气质量状况最差；空气质量最差的月份分别是4月和5月，首要污染物均为O3，2018年5月福州市空气质量的优良率只有77.4%，这2 a的春季均是福州市空气质量最差的季节，因为 O3污染较为严重，超标天数最多，在太阳辐射强，日照时间长，空气湿度小，气温日较差大，大气扩散条件一般的天气状况下，春季的4—5月和初秋10月最有利于ρ(O3)的升高并维持，造成空气质量明显下降。而夏季虽然太阳辐射强度更强，但大气热力和动力条件好，污染物稀释、扩散能力较强，所以高浓度 O3持续时间不长，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滑动平均最大值也不易超标。

3 小结与讨论

（1）2007—2018年福州市太阳总辐射年平均值为 4625 MJ·m-2，±标准差 251 MJ·m-2，历年波动值在4254—5131 MJ·m-2之间，太阳年总辐射呈上升趋势，平均上升率为6.7%/10 a。

（2）福州市太阳总辐射从 1月份开始增加，7月达到最高值，而后开始下降，12月降到最低值，夏季（7—9月）太阳总辐射量最丰富，春季（3—6月）次之，冬季（12月至翌年2月）最少。

（3）福州市太阳年总辐射与ρ(PM10)年平均值相关系数为-0.212，呈现负相关关系，ρ(PM10)、ρ(PM2.5)年平均值均呈现明显下降趋势，说明近年来福州市政府对PM治理成效显著。

（4）随着大气中ρ(PM)逐年降低，太阳总辐射量增加，又引起了O3污染日趋严重的问题，2014、2017、2018这3年福州市O3污染较为严重，2018年福州市ρ(O3)超标天数达到 23 d，这与太阳辐射强度强，气温异常偏高，高温次数多、范围广、时间长、极值高，日照时数明显偏多有密切关系。

（5）受太阳辐射增强的影响 2017—2018年福州市空气质量最好的月份分别是6月和12月，夏季已不是这2 a空气质量最好的季节了，相比之下冬季节的空气质量相对好些；空气质量最差月份分别是4月和5月，首要污染物均为O3，这2 a的春季是福州市空气质量最差的季节，O3污染较为严重，超标天数最多。

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