近日，北京化工大学刘永春教授团队在上层臭氧入侵对地面臭氧浓度和二次气溶胶生成的影响方面取得重要进展，相关成果以“Upper-layer ozone intrusion promotes wintertime secondary aerosol formation on the ground”为题，发表在National Science Review（《国家科学评论》，NSR）。
这项研究提出了基于地表臭氧观测的上层臭氧入侵（ULOI）事件的客观识别方法，分析了中国2020年冬季ULOI事件的发生频率和空间分布特征，定量讨论了其对中国华北地区冬季地表臭氧浓度和二次气溶胶生成的影响。对深入理解华北地区冬季大气复合物污染成因具有重要意义，并为评估大气垂直交换对全球范围内地表大气化学过程和生态影响提供了可推广的方法和思路。
异常的臭氧日变化：
臭氧是近地面重要大气污染物，可危害人体健康和生态系统。地表臭氧浓度通常在午后随太阳辐射增强达到峰值，而日落后由于光化学反应停止以及干沉降和一氧化氮的滴定作用持续下降，而具有明显的日变化规律。然而，实际观测中经常发现夜间臭氧异常升高的现象，无法用本地光化学过程解释。表明垂直或水平输送对该现象具有重要作用。但如何利用地面观测数据有效识别这类事件并量化其对地表大气化学的影响，是当前大气化学领域面临的难题。
上层臭氧入侵的识别：
在这项新研究中，研究人员提出了一种简便而稳健的方法来识别上层臭氧入侵事件。该方法不同于以往依赖同位素分析或复杂化学传输模型的研究思路，而是通过对一定时期内每天凌晨（4:00-6:00）臭氧的地表观测浓度进行排序，实现上层臭氧向下输送事件的识别。当观测臭氧浓度随浓度排序的变化速率发生突变时，即为上层臭氧入侵事件的阈值，高于该阈值则可判断为上层臭氧入侵事件。
图1. 2020.12.1-2021.2.28期间北京化工大学观测站点凌晨（4:00-6:00）臭氧浓度（cO3,BD）、整体里查森数（bulk Richardson number）和气态污染物日变化分布。(a) cO3,BD随其百分位数的变化，红点为阈值，蓝线为分段拟合斜率；(b) 整体里查森数在不同ULOI强度下的垂直分布；(c)-(f) O3、NO2、CO和NO 在不同ULOI强度下的日变化曲线。图(c)中虚线为整个观测臭氧浓度期间平均值，图(c)-(f)中阴影为对应观测值的±0.2倍标准偏差。
上层臭氧入侵的影响：
该团队对全中国的地表臭氧观测数据分析发现，不同地区在分析时段内的上层臭氧入侵事件的发生率介于22%至74%之间，比以前认知的更为普遍。其中，东部和南部沿海地区受海陆风、低空急流和热带气旋等气象系统影响，发生频率高于其他地区。进一步分析表明，上层臭氧入侵事件显著提高了地表臭氧浓度，夜间增幅约为13-43 ppbv，白天增幅约为3-14 ppbv，进而显著增强了地表大气氧化性，增加了臭氧氧化路径对硫酸盐和二次有机气溶胶生成的贡献。该研究揭示了不同大气层间相互作用对地表空气质量的重要影响，表明大气物理过程对全面理解臭氧污染和二次气溶胶的形成机制具有重要影响，未来有必要将垂直输送及影响纳入地表空气污染研究与空气质量管理策略。由于全球各地已有较成熟的地面空气质量观测网，本研究可进一步扩展到其他地区，并系统评估该类气象过程对地表空气质量和生态系统的影响。
图2. 2020年冬季（2020年12月至2021年2月）中国上层臭氧入侵（ULOI）发生概率的空间分布、地表臭氧浓度差和臭氧浓度增加系数分布。（a）（ULOI）发生概率的空间分布；（b）典型城市群在ULOI与非ULOI（NULOI）情景下的臭氧浓度差异，以及臭氧增强系数（EF）；（c）和（d）在ULOI与非ULOI（NULOI）情景下的昼、夜臭氧浓度差异；（e）和（f）在ULOI与非ULOI（NULOI）情景下的昼、夜臭氧浓度增加系数分布。
亮点：
该研究提出了利用地表观测的臭氧数据识别上层臭氧传输的新方法，研究结果表明上层臭氧入侵是各地冬季地表臭氧重要来源，上层臭氧入侵事件可显著增强地表大气氧化性，并首次定量讨论了该类事件对中国华北地区冬季硫酸盐和二次有机气溶胶生成的促进作用。
北京化工大学博士生王玉征为论文的第一作者，通讯作者为北京化工大学刘永春教授、中国气象局权建农教授和赫尔辛基大学Douglas R. Worsnop教授。
该研究得到了京津冀区域综合环境治理国家科技重大专项（2025ZD1204203）、国家自然科学基金（42275117）、北京市自然科学基金（8232041）和中国环境监测总站科研开放基金（环境空气细颗粒物中有机碳元素碳（OC/EC）暴露测量）的资助。
原文链接：
https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwaf593/8405682?login=false
