1990–2020年北半球城市和非城市地表臭氧的差异缩小

北京大学物理学院大气与海洋科学系张霖课题组与环境科学与工程学院张远航院士等合作研究，利用全球范围内城市与非城市站点的长期地表臭氧观测资料，揭示了1990–2020年北半球城市和非城市地表臭氧浓度的差异缩小的现象，表明地表臭氧污染呈现更为明显的区域性特征。相关研究成果以“Narrowing Differences in Urban and Nonurban Surface Ozone in the Northern Hemisphere Over 1990–2020”为题于2023年4月17日发表在《Environmental Science & Technology Letters》。

地表臭氧主要是由挥发性有机化合物和氮氧化物通过光化学反应产生。由于排放、化学和气象条件的地理差异的影响，地表臭氧的空间分布高度不均匀。一个典型案例是城市和非城市地区臭氧浓度之间的差异。通常情况下，高浓度氮氧化物的滴定效应使得城区臭氧的浓度更低。研究城市和非城市臭氧差异有助于确定臭氧的形成机制及揭示臭氧化学对局地污染物排放的非线性响应。目前对城市和非城市臭氧差异随时间演变特征的理解非常有限。探究城市和非城市臭氧差异的变化趋势能够理解臭氧空间分布的演变，并且为未来臭氧污染防控提供科学依据。

该研究使用国际对流层臭氧评估报告（TOAR）地表臭氧观测数据集、美国环境保护署、欧洲环境署和中国环境监测中心的观测数据，探究了城市和非城市臭氧浓度差异在1990–2020年期间的变化趋势。研究通过约束站点间的距离对城市和非城市臭氧观测站点进行了配对，构建了全球范围内城市与非城市配对站点的臭氧浓度数据集，从而准确估算全球城市和非城市区域的臭氧差异。研究发展了由气象条件驱动的多元线性回归模型以诊断城市和非城市臭氧差异变化趋势的驱动因子。

该研究发现1990–2020年夏季北美、欧洲、韩国和日本城市和非城市臭氧差异显著减弱（图1）。北半球平均的城市和非城市臭氧差异减弱了90%，从1990年代的?5.0 ppbv减小至2010年代的?0.5 ppbv。结合地表和卫星臭氧前体物观测数据的分析发现，城市和非城市臭氧差异减弱的主导因子是人为源氮氧化物排放的下降（图2）。人为源氮氧化物排放的下降抑制了城市臭氧的滴定效应，并且使得城市和非城市臭氧形成机制趋于一致。该研究结果表明地表臭氧的时空演变和分布呈现更加区域化的特征，也为臭氧观测站点的选择和臭氧污染治理的政策制定提供了新视角。

图1 北半球夏季城市和非城市臭氧日最大八小时均值浓度差异及它们在1990年代至2010年代的变化。（a），（b），（d）和（e）中数字展示了全球观测站点均值浓度±2倍均值标准误差（等同于均值的95%置信区间）。“N”展示了观测站点的数量。（c）和（f）中的误差条表示每个地区对应的±2倍均值标准误差。

图2 1990–2020年城市和非城市臭氧日最大八小时均值浓度差异减弱的人为源驱动因子。（a–c）1990–2020年欧洲配对站点的地表O_x，NO₂，和城市与非城市NO₂差异的变化趋势。（d–f）2005–2020年全球配对站点的CFNR和城市与非城市NO₂对流层柱浓度差异的变化趋势。（c–e）中的阴影区域表示配对站点对应的±50%标准差。（a–e）中的数字表示变化趋势。

北京大学物理学院大气与海洋科学系博士后韩函（现任教于福建师范大学地理科学学院、碳中和未来技术学院）为该论文第一作者，张霖研究员和张远航院士为论文共同通讯作者。物理学院博士研究生刘泽慧（2018级）和王晓琳（2018级）也参与了研究工作。其他合作者包括南京信息工程大学乐旭教授和福建师范大学束蕾博士。本研究工作得到国家自然科学基金委面上项目的资助。

论文原文链接为：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.estlett.3c00105