本研究发表于期刊 Environmental Pollution 第349卷（2024年），文章编号为123932，于2024年4月5日在线发表。文章题为“近些年华中地区伴随高温抑制的臭氧污染变化”。该研究由来自南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心、中国气象局气溶胶-云-降水重点实验室（作者单位a）、安徽省气象科学研究所安徽省大气科学与卫星遥感重点实验室（b）、中国气象局武汉暴雨研究所（c）、无锡学院大气与遥感学院（d）、香港科技大学环境与可持续发展学部（e）、中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室及中国科学院大学（f， g）和南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际联合实验室（h）的研究人员共同完成。第一作者为付维康，通讯作者为赵天良教授。

研究学术背景 该研究隶属于大气环境科学领域，核心关注地表臭氧（O₃）污染。近年来，中国在实施大气污染防治措施后，细颗粒物（PM₂.₅）浓度显著下降，但臭氧污染问题却日益凸显，成为中国当前面临的主要大气环境挑战之一。臭氧不仅是一种重要的温室气体，还对人类健康和陆地生态系统具有显著的负面影响。以往的研究多集中于中国传统的污染区域，如京津冀（BTH）、长三角（YRD）、珠三角（PRD）和四川盆地（SCB），而对华中地区，特别是两湖盆地（THB）臭氧污染的系统性研究相对缺乏。此外，气温是影响臭氧生成的关键气象因子，通常臭氧与气温呈正相关。然而，已有研究发现，在极端高温条件下，臭氧浓度可能会出现下降，这种现象被称为“臭氧抑制”（Ozone Suppression, OS）。但是，OS现象在不同下垫面类型（如大都市区、小城市区和山区）的表现差异及其机制尚不清楚。因此，本研究旨在探究近八年（2015-2022年）华中地区两湖盆地臭氧污染的时空变化特征，并定量评估在大都市区、小城市区和山区这三种不同下垫面区域中，高温条件下的臭氧抑制现象及其差异，以期为未来气候变暖和城市化背景下的臭氧污染防治提供科学参考。

研究流程详述 本研究是一项基于环境与气象观测数据的分析研究，其详细工作流程如下：

1. 数据收集与处理：

   • 研究时段与对象：研究时段选定为2015年至2022年每年的暖季（4月至9月），研究对象为华中地区两湖盆地。
   • 环境数据：小时分辨率的臭氧浓度数据来源于中国生态环境部运营的国家环境监测网络，使用的关键指标为日最大8小时滑动平均浓度。作者进一步计算了暖季平均MDA8浓度、年度MDA8第90百分位数（MDA8-90）以及不同污染等级（低、一般、轻度、重度污染）的日数比例。
   • 气象数据：同步的小时分辨率气象数据（气温、近地面风速、相对湿度）来自中国国家气象信息中心。
   • 辅助数据：归一化差值植被指数（NDVI）数据来源于MODIS卫星产品，用于评估下垫面植被覆盖状况。此外，还收集了各城市的人口和工业产值数据。
   • 质量控制：所有数据均遵循中国气象和空气质量观测的国家标准进行了质控。

2. 地理分类： 为探究不同下垫面类型的影响，研究对两湖盆地的20个城市站点进行了地理分类。分类依据综合了人口、工业产值和NDVI指数。最终确定了三类代表性区域：

   • 山区：以恩施州（ESZ）、张家界（ZJJ）、湘西州（XXZ）和荆门（JM）为代表，特征是NDVI值高（植被覆盖好）、人口和工业产值相对较低。
   • 小城市区：以益阳（YY1）、邵阳（SY）、湘潭（XT）和鄂州（EZ）为代表。
   • 大都市区：以武汉（WH）、长沙（CS）、襄阳（XY）和岳阳（YY2）为代表，特征是人口密集、工业产值高、NDVI值低。 这种主观分类法为本研究后续对比分析不同区域臭氧污染特征和OS差异奠定了基础。

3. 臭氧污染时空变化分析：

   • 空间分布与区域比较：计算并对比了两湖盆地与中国其他四大污染区域（BTH、YRD、PRD、SCB）暖季平均MDA8臭氧浓度的空间分布及年际变化趋势。
   • 区域内部差异分析：分别计算了大都市区、小城市区和山区的MDA8-90浓度的年际变化趋势和日变化特征。通过对比其变化趋势和日变化幅度，揭示了区域内部的差异性。

4. 臭氧抑制现象识别与量化： 这是本研究的核心分析步骤，旨在定量评估高温下OS现象。

   • 非线性关系初探：首先，通过散点图和拟合曲线，分析了两湖盆地整体MDA8臭氧浓度与对应8小时平均气温之间的非线性关系，并统计了不同温度区间的臭氧超标率。
   • OS临界温度确定：研究采用了Z检验方法来诊断OS并确定临界温度。该方法系统性地测试了一系列候选温度，寻找臭氧-气温斜率发生显著变化的拐点。具体公式为 Z = (s_h - s_n) / √(se_h² + se_n²)，其中s_h和s_n分别代表高温和常温下的臭氧-气温回归斜率，se_h和se_n为对应的标准误。当|Z| > 1.96（p < 0.05）时，认为斜率发生了显著降低，此时对应的候选温度即为临界温度。
   • OS强度计算：确定了临界温度后，计算高于临界温度区间内的臭氧-气温回归斜率（即单位温度变化引起的臭氧浓度变化量），该斜率即为OS的强度，负值表示高温抑制。
   • 区域间对比：分别对大都市区、小城市区和山区的站点应用上述方法，计算并比较各自的临界温度和OS强度。

主要研究结果 1. 两湖盆地成为新的臭氧污染中心：研究显示，2015-2022年间，两湖盆地暖季平均MDA8臭氧浓度为127.8 μg·m⁻³，虽然低于京津冀和长三角，但其年际增长趋势却高达1.10%·yr⁻¹，显著高于其他四大传统污染区域。此外，低浓度臭氧天数比例显著下降（-4.52%·yr⁻¹），而一般和轻度污染天数比例显著上升（分别为5.51%·yr⁻¹和5.15%·yr⁻¹）。这些结果表明，两湖盆地的臭氧污染正在恶化，已成为中国一个新的区域性臭氧污染中心。

1. 臭氧污染变化的极化趋势：在两湖盆地内部，不同区域的臭氧年际变化呈现“极化”趋势。大都市区和小城市区的MDA8-90浓度呈显著上升趋势，增长率分别为2.21 μg·m⁻³·yr⁻¹和1.44 μg·m⁻³·yr⁻¹。与之相反，山区站点的MDA8-90浓度则呈现显著下降趋势（-1.15 μg·m⁻³·yr⁻¹）。这种“城市增、山区减”的格局清晰表明了城市化进程和人为排放对区域臭氧变化的深刻影响。日变化分析进一步显示，大都市区的臭氧浓度日变化幅度最大，白天光化学生成强，夜间氮氧化物滴定作用明显；而山区浓度全天较低，日变化相对平缓。

2. 高温下臭氧抑制现象的普遍存在及其区域差异：

   • 整体存在性：分析证实，在两湖盆地整体上，当气温超过约36°C时，小时臭氧浓度与气温的关系由正转负，即出现了OS现象。
   • 临界温度的差异：OS的临界温度在不同类型区域存在明显差异：山区最低，为30.5°C；小城市区次之，为32.5°C；大都市区最高，为34.5°C。这表明在植被覆盖好、本底臭氧浓度较低的山区，臭氧浓度更早（在相对较低的温度下）就开始受到高温的抑制。
   • 抑制强度的差异：OS的强度（即高于临界温度后，气温每升高1°C所导致的臭氧浓度下降量）也呈现出明显的区域排序：山区最强（-2.30 μg·m⁻³·°C⁻¹） > 小城市区（-1.96 μg·m⁻³·°C⁻¹） > 大都市区（-1.54 μg·m⁻³·°C⁻¹）。这意味着在山区，高温对臭氧浓度的负向抑制效应最为剧烈。

   这些关于临界温度和抑制强度的发现，构成了本研究最核心的结论，它们直接指向了不同下垫面条件下臭氧生成化学机制和气象条件的差异。

研究结论与意义 本研究的主要结论是：近八年（2015-2022年）间，华中地区两湖盆地已发展成为臭氧污染加剧的中心区域，其增速超过传统污染区。区域内臭氧变化呈“城市增、山区减”的极化趋势。研究首次系统揭示并定量比较了两湖盆地不同类型区域（大都市、小城市、山区）高温臭氧抑制现象的差异：OS在山区更显著，表现为更低的临界温度（30.5°C）和更强的抑制强度（-2.30 μg·m⁻³·°C⁻¹）；而在人口和工业密集的大都市区，OS现象最弱，临界温度最高（34.5°C），抑制强度最小（-1.54 μg·m⁻³·°C⁻¹）。

这项研究的科学价值在于：首先，它填补了对华中地区两湖盆地系统性臭氧污染研究的空白，指出了一个正在快速恶化的新污染中心。其次，它深化了对“臭氧抑制”现象的认识，揭示了其空间异质性，表明OS并非一个普适的固定阈值现象，而是强烈依赖于本地下垫面类型和排放结构。研究推测，山区更强的OS可能与高温下植物气孔关闭导致生物挥发性有机物排放减少有关，这为理解臭氧形成的VOCs（挥发性有机物）限制或过渡机制提供了新的观测线索。在应用价值上，该研究结果提示，在未来气候变暖背景下，不同区域面临的臭氧污染风险及防控重点可能不同。大都市区需持续关注高温加剧臭氧污染的常规风险，而山区则需注意极端高温可能带来的非线性抑制效应。研究结论可为区域差异化的臭氧污染防控策略制定提供科学依据。

研究亮点 1. 研究对象新颖：首次将研究焦点对准了以往被相对忽视的华中地区两湖盆地，并明确指出其已成为中国臭氧污染加剧的新中心，具有重要的区域警示意义。 2. 揭示了臭氧变化的“极化”趋势：在城市和山区观测到相反的臭氧年际变化趋势，生动刻画了人为活动与自然背景区域对污染变化的差异化响应。 3. 定量揭示了OS现象的区域分异规律：不仅证实了高温OS现象在两湖盆地的存在，更创新性地通过地理分类，定量比较了大都市、小城市和山区三类典型下垫面OS的临界温度和抑制强度，发现了“低臭氧浓度区域OS更显著”的明确规律，这是本研究最核心的发现。 4. 方法严谨，数据支撑有力：研究基于八年的高质量监测数据，采用了稳健的统计方法（如Z检验确定临界温度），确保了结论的可靠性。

其他有价值内容 研究也指出了其局限性：由于缺乏挥发性有机物和氮氧化物的长期观测数据，本研究对OS现象差异的内在化学机制（如VOCs排放变化、PAN热分解等）主要停留在推测层面，未能进行深入的机理剖析。作者在结论部分提出，未来需要结合更长期的观测和数值模拟，并获取VOCs和NOx的监测数据，以深入探究臭氧长期变化和OS多样性的形成机制。这一展望为后续研究指明了方向。此外，文中提及的COVID-19疫情期间臭氧浓度变化，也为研究极端排放情景下的臭氧响应提供了有趣的案例。