成都太阳总辐射变化特征及对臭氧污染影响分析

赵晓莉,曹 杨,杜云松,成 翔

(1.四川省气象灾害防御技术中心，成都 610072，2.四川省生态环境监测总站，成都 610000)

引 言

太阳总辐射是太阳直接辐射和散射辐射的总和，在地表辐射交换中，它是辐射能量的收入部分，对地表辐射平衡，地气能量交换，以及各地天气气候的形成具有决定性意义[1～3]。近几年对流层臭氧浓度呈现出不断上升趋势，近地面臭氧绝大部分来源于人为源(氮氧化物和挥发性有机物)在光照条件下经一系列光化学反应生成的二次污染物[4]，太阳辐射作为与许多臭氧相关的大气化学或光化学过程的控制因素，已成为众多学者研究探讨的热点。Jasaitis等[5]通过长期监测数据发现太阳辐射强度在统计学上与臭氧浓度呈显著正相关。卢婵婵等[6]对太阳辐射等气象要素与臭氧含量进行相关性分析，建立臭氧含量预估模型。刘长焕等[7]对京津冀、长三角和珠三角2007～2016年太阳总辐射年际和季节变化以及与臭氧浓度关系进行了分析。但少有对成都长年太阳总辐射进行探讨，研究太阳总辐射时空变化不仅是探寻气候变化规律的重要组成部分，而且能深入了解太阳辐射对近地层臭氧污染的影响。本文利用1993年至2020年地面气象观测站实测太阳总辐射资料，对成都地区太阳总辐射年际和季节变化进行分析，深入认识太阳总辐射对臭氧污染形成的影响，旨在为成都臭氧污染预报提供新思路。

1 材料与方法

1.1 数据来源

太阳总辐射是指水平面上，天空2π立体角内所接收到的太阳直接辐射和散射辐射之和。本文采用的太阳总辐射数据(1993～2020年)和温江地面降水数据(2011～2015年)均来源于四川省气象探测数据中心并已经过数据质量控制。地面臭氧浓度资料(2016～2020年)来自环保部中国环境监测总站发布的全国城市空气质量逐小时观测数据，并进行了数据质量控制，有效数据1 412个。地面臭氧浓度月资料(2015～2020年)来自四川省生态环境监测站，数据已进行质量控制。

1.2 研究方法

辐照度指在单位时间内，投射到单位面积上的辐射能，即观测到的瞬时值；曝辐量指一段时间辐照度的总量或累计量。为了更好的分析太阳辐射对于臭氧浓度变化的影响，本文选取太阳总辐射曝辐量作为研究对象。利用年、月太阳总辐射累计值以及春(3～5月)、夏(6～8月)、秋(9～11月)、冬(12月～次年2月)各季节太阳总辐射累计值，分析成都市太阳总辐射的年、季节和月变化特征。采用气候倾向率来描述太阳总辐射在较长时间尺度上的变化趋势[8]，气候倾向率是通过线性回归将太阳总辐射与时间建立线性函数关系，如下式所示：

yi=a·ti+b

其中，a为回归系数，表示上升或下降的速率。当a>0时，表明太阳总辐射随时间变化呈上升趋势；当a<0时，表明太阳总辐射随时间变化呈下降趋势；当a=0表明无变化。

臭氧8小时平均浓度采用滑动平均方式计算。指定时间t的8小时平均浓度值为：t-7、t-6、t-5、t-4、t-3、t-2、t-1、t时的8个1小时平均浓度值的算术平均值。臭氧日最大8小时平均浓度是指一个自然日内8:00时至24:00时的所有8小时滑动平均浓度中的最大浓度值。环境空气质量指数(AQI)采用《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ633-2012)中的方法计算。

2 结果与讨论

2.1 太阳总辐射年、季节变化

成都1993～2020年太阳总辐射总体呈上升趋势，倾向率为31.63 MJ/(m2·a)，年最低值出现在1999年曝辐量为2 858.98MJ/m2，最高值出现在2018年曝辐量为4 170.21 MJ/m2。从(图1)年际变化可见，1993年至1999年成都市太阳总辐射逐年下降，1999年后开始呈上升趋势，2020年太阳总辐射较1999年升高856.15 MJ/m2，升幅达29.9%。

图1 1993～2020年成都太阳总辐射变化曲线

从成都1993～2020年太阳总辐射的季节序列(图2)可见，成都太阳总辐射夏季最高，春季次之，秋季第三，冬季最低；春季、夏季太阳总辐射明显高于秋季和冬季，夏季与冬季年均曝辐量相差766.89 MJ/m2。由表1可知，夏季太阳总辐射呈上升趋势，倾向率为10.39 MJ/(m2·a)，略高于春季和冬季；秋季倾向率虽大于0，但与其它三个季节相比，变化不显著。

表1 太阳总辐射年均、季节均值及气候倾向率

图2 1993～2020年成都各季节太阳总辐射变化曲线

2.2 太阳总辐射月变化

从太阳总辐射5年月均变化曲线图(见图3)中可以看出成都太阳总辐射月变化总体呈现“双峰”型，每年2～4月为迅速攀升阶段，而后维持在全年高值区，9月断崖式下滑后缓慢降至最低。其中，4～8月太阳辐射较强，太阳总辐射占全年曝辐量58%以上；期间出现太阳总辐射在6月有小幅下降，7月又回升的现象。由于降水时天空会覆盖云层，使得到达地面的太阳辐射减少，因此可以通过无降水日来解释太阳总辐射降低的原因。通过对6月太阳总辐射降幅显著的2011～2015年无降水日数统计结果发现(表2)，6月平均无降水日数仅占39.2%，与5月、7月相比6月降水明显偏多，说明6月太阳总辐射的降低与降水日数的增多有直接关系。

图3 1996～2020年成都太阳总辐射5年月均变化曲线

成都太阳总辐射近25年呈上升态势，1996～2000年太阳总辐射为最低阶段，4～8月平均累积曝辐量仅为1 839.5 MJ/m2；2016～2020年太阳总辐射为最高阶段，4～8月平均累积曝辐量达2 349.6 MJ/m2。成都太阳总辐射1～3月以及11～12月升幅虽然没有4～8月显著，但也略有升高；9月升幅最小，最高值与最低值之差仅为35.1MJ/m2。

2.3 太阳总辐射与臭氧浓度关系

如图4所示2015～2020年月太阳总辐射与月均地面臭氧浓度有较好的正相关性，相关系数为0.94，说明太阳总辐射对月均地面臭氧浓度的变化有直接的影响。近地面臭氧是光化学反应的产物，在生成过程中除了受前体物氮氧化物(NOX)和挥发性有机物(VOCs)浓度的影响外，另一个影响因素就是太阳辐射强度，它为光化学反应提供反应所需的能量。太阳总辐射较强时，近地面NOX和VOCs吸收来自太阳的辐射能量发生光化学反应，产生以臭氧为主的二次污染物。臭氧的产生量大于消耗量，大气中一直聚集臭氧，随着时间的推移，导致近地面臭氧含量越来越高。月均地面臭氧浓度与太阳总辐射一样呈周期性变化，每年4～8月太阳总辐射较高,臭氧浓度也较高；11月～次年2月太阳总辐射较低，臭氧浓度也较低。

图4 2015～2020年逐月成都太阳总辐射与臭氧浓度变化曲线

利用2015～2020年逐日太阳总辐射和地面臭氧日最大8h平均浓度绘制密度图(见图5)，可以直观的看到其分布特征，太阳总辐射日曝辐量64.3%集中在12.6 MJ/m2以下；臭氧日最大8h平均浓度79.4%集中在160μg/m3以下。臭氧AQI等级为3级(轻度污染)及以上时，逐日太阳总辐射和地面臭氧日最大8h平均浓度分布情况如图6所示，太阳总辐射日曝辐量59.88%集中在17.74～25.20MJ/m2之间，且密度分布与图5完全不同，随着太阳总辐射强度的增加该区域中的臭氧浓度高密度区并未显著向高浓度方向偏移。

图5 2015～2020年逐日太阳总辐射和地面臭氧日最大8h平均浓度密度

图6 浓度大于160μg/m3的臭氧日最大8小时平均浓度与日太阳总辐射密度

为了了解臭氧各AQI等级与太阳总辐射之间的关系，利用地面臭氧不同AQI等级绘制太阳总辐射琴型图(见图7)，可以看出AQI等级为1级，日曝辐量主要集中在5 MJ/m2左右，随着太阳总辐射强度的增强，臭氧AQI等级也逐步升高。臭氧AQI等级较低时，太阳总辐射的增强对于臭氧AQI等级的升高具有明显的促进作用；但当臭氧AQI等级达到4级及以上，日曝辐量大部分维持在25 MJ/m2左右，臭氧AQI等级的变化与太阳总辐射无明显关系。由此可见，太阳总辐射是臭氧产生的控制因素，但当太阳总辐射强度达到臭氧产生条件后，臭氧浓度的上升便不再与太阳总辐射呈正相关。

图7 AQI等级与太阳总辐射密度图

3 结 论

3.1 成都1993～2020年太阳总辐射总体呈上升趋势，夏季最高，春季次之，秋季第三，冬季最低。月变化呈现“双峰”型：每年2～4月为迅速攀升阶段，而后维持在全年高值区，期间出现6月小幅下降，7月又回升的现象，9月断崖式下滑后缓慢降至最低。

3.2 2015～2020年月太阳总辐射与月均地面臭氧浓度有较好的正相关性，且月均地面臭氧浓度与太阳总辐射一样呈周期性变化，说明太阳总辐射对月均地面臭氧浓度的变化有直接的影响。

3.3 臭氧AQI等级较低时，太阳总辐射的增强对于臭氧AQI等级的升高具有明显的促进作用；但当臭氧AQI等级达到4级及以上，臭氧AQI等级的变化与太阳总辐射无明显关系。

3.4 研究结论能为成都制定NOX和VOCs协同减排策略提供科学理论依据，同时为臭氧生成敏感性研究提供新思路。