由Danyang Ma、Min Xie（通讯作者）、Tijian Wang、Mengzhu Xi、Ume Kalsoom、Shitong Chen、Fengyuan Zhang、Kuanguang Zhu和Hua Lu完成的研究论文《Opposing effects of PM2.5, O3, and CO2 interactions on the East Asian summer monsoon climate before and after the Clean Air Action Plan》发表于美国化学会旗下的权威期刊*Environmental Science & Technology*，在线发表日期为2026年2月12日。该研究主要依托于南京师范大学和南京大学的研究团队。
本项研究属于大气科学、环境化学与区域气候学的交叉领域。研究的核心动机源于中国及东亚地区近年来大气污染物和温室气体浓度格局的剧烈变化。2013年中国实施了《大气污染防治行动计划》（简称《清洁空气行动计划》），该政策显著改善了以PM2.5为代表的颗粒物污染，但与此同时，地表臭氧污染问题日益凸显，而二氧化碳浓度则持续上升。PM2.5、O3和CO2这三种关键物质不仅本身是重要的辐射强迫因子，能够直接影响气候，更为重要的是，它们能够通过植被这一关键纽带发生复杂的相互作用：O3作为强氧化剂会损害植物光合作用，影响其固碳能力，从而间接改变大气CO2浓度；PM2.5则通过吸收和散射太阳辐射，改变到达地表的直射和散射辐射比例，进而影响植被的光合效率和生态系统碳汇功能；反过来，CO2作为光合作用底物，其浓度变化也会通过影响植被生长和生物挥发性有机物排放，调控O3和二次PM2.5的生成。这种以植被为媒介的相互反馈在东亚这个污染物浓度高且变化剧烈的区域尤为关键。然而，以往的研究大多孤立地考察三者之间的生物地球化学相互作用，或单独分析其辐射气候效应，未能将二者耦合起来，系统评估这种相互作用网络对区域气候（尤其是对东亚夏季风）的综合影响。因此，本研究旨在填补这一空白，其核心目标是通过一个先进的气候-化学-生态系统耦合模型，定量揭示2013年《清洁空气行动计划》实施前后，PM2.5、O3、CO2三者相互作用的变化及其对东亚夏季风气候的相对效应，从而为协同治理大气污染和应对气候变化提供坚实的科学依据。
为达成上述目标，本研究采用了严谨而系统的研究流程。研究的基石是作者团队自主研发的RegCM-Chem-YIBS区域气候-化学-生态系统耦合模型。该模型创新性地将区域气候-化学模型RegCM-Chem与陆地生态系统模型YIBS进行在线实时耦合，实现了气象场、大气污染物浓度与植被生理过程之间的双向动态反馈。模型设置覆盖整个东亚区域，水平分辨率为60公里，模拟时段为每年4月至8月（其中5-8月定义为季风季），跨越2008年至2018年共11年，以捕捉《清洁空气行动计划》实施前后（2008-2012年为“前”期，2014-2018年为“后”期，2013年为过渡年）的关键变化。为了精准分离出PM2.5、O3、CO2相互作用本身的气候效应，研究团队精心设计了两组对比试验：第一组为“Simbase”试验，完全考虑了三者之间通过植被的直接相互作用（包括O3对植被的损伤效应和气溶胶对辐射、热力及动力场的反馈效应）；第二组为“Simctrl”试验，则剔除了这些直接相互作用。通过计算两组试验的差值，即可定量评估相互作用对各项指标的影响。
研究工作流程的第一步是全面的模型验证，这是确保后续结果可靠性的前提。研究团队将模型模拟的2015-2018年夏季近地表臭氧、PM2.5、CO2浓度，以及温度、风场、湿度、云量、降水、辐射通量等关键气象变量，与地面观测数据及多套国际公认的再分析资料（如ERA-Interim、MERRA-2）进行了细致对比。结果显示，模型能够较好地再现观测值的量级和空间分布特征。例如，近地表O3模拟值与观测值的相关系数在0.57至0.74之间，PM2.5的相关系数在0.61至0.71之间，CO2的相关系数在0.54至0.69之间，且均方根误差处于合理范围。对温度、风场、辐射等气象要素的模拟也与再分析数据高度一致。这充分证明了RegCM-Chem-YIBS模型在研究区域和时段内具有良好的模拟性能，其输出结果可信。
在模型验证的基础上，研究进入了核心分析阶段。首先，研究团队详细分析了PM2.5、O3、CO2相互作用对三者自身浓度的影响机制与结果。其逻辑链条如下：相互作用首先通过改变植被排放的生物挥发性有机物来体现。PM2.5通过散射辐射促进植被生长（在一定程度内），可能增加BVOC排放，而O3损伤植被则会抑制BVOC排放。研究以异戊二烯作为BVOC代表，发现相互作用在2008-2012年间使东亚地区异戊二烯浓度显著增加了8-18 μg/m³，这主要归因于当时较高的PM2.5浓度的促进作用。随着2013年后PM2.5浓度急剧下降、O3浓度持续上升，O3的抑制作用增强，到2014-2018年，异戊二烯在华北等O3增幅大的地区甚至出现了2-4 μg/m³的下降。BVOC（以异戊二烯计）的变化直接影响二次有机气溶胶的生成，从而导致PM2.5浓度随之变化：2008-2012年间，PM2.5因相互作用增加了6-12 μg/m³；而到2014-2018年，增幅减小至2-6 μg/m³，并在华北转为负贡献。O3浓度则同时受到BVOC（前体物供应，促生成）和PM2.5（辐射减弱、降温，抑生成）变化的双重影响。在前期，两者效应部分抵消，导致O3小幅增加2-4 ppb。在后期，PM2.5增幅减小甚至转为减少，削弱了其抑制作用，而O3前体物环境变化等综合效应导致相互作用使O3在华北等地增加了2-6 ppb。最后，O3和PM2.5浓度的变化通过影响植被光合作用和生长，共同决定了大气CO2浓度的变化。总体而言，O3损害植被导致CO2汇功能减弱的作用，强于PM2.5在一定程度内通过增加散射辐射促进光合作用而增强CO2汇的作用。因此，CO2的变化格局与O3类似，在2008-2012年间因相互作用增加了3-5 ppm，而在2014-2018年，尤其在O3剧增的华北地区，CO2增加了约6 ppm。
接下来，研究深入剖析了由上述浓度变化所引发的辐射和气候效应。这是理解相互作用如何影响季风的关键环节。PM2.5作为气溶胶，其浓度的变化直接主导了地表短波辐射的变化。模拟结果显示，在2008-2012年，由于相互作用导致PM2.5浓度增加，使得东亚大部分地区地表接收的短波辐射通量减少了10-20 W/m²。O3和CO2作为温室气体，其浓度的增加则会增强对地表长波辐射的吸收，使向下长波辐射增加。但在前期，短波辐射减少的冷却效应占主导，导致地表长波辐射也呈现2-8 W/m²的减少。短波辐射是地表热量的主要来源，长波辐射变化则反映了大气的保温作用。两者共同作用下，2008-2012年东亚大部分地区近地表温度降低了0.5-1 K，其中华北降温最为明显。这种大范围的降温改变了海陆热力对比，减弱了驱动夏季风的陆地热低压，从而在850 hPa风场上表现为北风/西风分量增强，南风/东风分量减弱，即夏季风环流减弱。风场变化进而影响水汽输送和辐合，导致云量和降水在华中、华东等地有所增加（云量增6-10%，降水增4-8 mm/天），这主要是由于冷暖气流交汇增强所致，但这种降水变化是在季风整体减弱背景下的区域性调整。
然而，2014-2018年的情况发生了根本性逆转。由于相互作用导致的PM2.5浓度增幅大幅减小甚至在部分地区转为负值，其对短波辐射的削减作用显著减弱。与此同时，O3和CO2浓度因相互作用而增加，其温室效应增强。综合结果表现为，在中国北方和东南部，地表短波和长波辐射通量分别增加了2-4 W/m²和2-8 W/m²。这导致这些地区近地表温度普遍升高了0.5-1 K。陆地的显著增温加强了海陆热力对比，强化了夏季风环流。850 hPa风场上，东亚东部和东北部的东风和南风分量增强了0.5-1 m/s。增强的偏南风将更多海洋水汽输送到陆地，导致中国东部云量增加6-12%，降水增加4-10 mm/天。季风环流整体增强。
为了定量刻画季风强度的变化，研究采用了四个具有代表性的东亚夏季风指数。分析发现，在考虑相互作用的情况下，2008-2013年间，大多数季风指数呈减弱趋势；而在2014-2018年间，所有四个指数均转为明显的增强趋势。这清晰地表明，PM2.5、O3、CO2的相互作用在2013年前后对东亚夏季风气候产生了截然相反的效应：前期以降温减弱季风为主，后期则以增温增强季风为主。这种效应的转变，与《清洁空气行动计划》实施后大气污染物浓度格局的深刻变化直接相关。
基于以上系统的模拟与分析，本研究得出明确结论：在东亚地区，PM2.5、O3和CO2通过植被介导的相互作用，构成了一个影响区域气候的重要反馈回路。2013年《清洁空气行动计划》的实施显著改变了这种相互作用的强度与方向。计划实施前（2008-2012年），较高的PM2.5浓度通过强烈的辐射冷却效应主导了气候响应，导致东亚地区降温、夏季风减弱。计划实施后（2014-2018年），随着PM2.5浓度大幅下降、O3和CO2浓度持续上升，温室气体的增温效应凸显，导致东亚部分地区增温、夏季风增强。这一研究结果凸显了在区域气候预测中，尤其是在像东亚这样大气污染物浓度波动剧烈的地区，必须全面、综合地考虑PM2.5、O3和CO2之间的协同相互作用，才能精确阐明它们对夏季风等关键气候系统的复合影响。
本研究的科学价值与应用意义重大。首先，在科学认知层面，它首次在一个统一的、包含完整生物地球化学反馈和辐射气候反馈的耦合模型框架下，系统量化了三种关键活性物质相互作用对东亚夏季风的净影响及其时空演变，深化了对“大气成分-生态系统-区域气候”耦合过程的理解，揭示了人为排放控制政策可能通过改变大气成分相互作用而产生意想不到的区域气候效应。其次，在应用价值层面，该研究为制定协同控制大气污染与温室气体排放、应对气候变化的综合治理策略提供了关键的科学依据。它明确提示，未来的环境政策不能孤立看待某一种污染物，而必须考虑多种污染物和温室气体之间的协同效应与权衡关系，例如在强力减排PM2.5的同时，需警惕可能加剧的O3污染及其连带的气候反馈。最后，研究方法也具有创新性，所发展和应用的RegCM-Chem-YIBS耦合模型为开展类似的多系统交互研究提供了一个强大的工具。
本研究的亮点突出体现在以下几个方面：第一，研究视角新颖，将传统上相对独立的大气化学、生态系统生理学和区域气候动力学有机整合，探讨了以植被为纽带的复杂相互作用网络对季风的综合效应，选题具有前沿性和交叉性。第二，研究设计精巧，通过精心设置对比试验，成功剥离出了“相互作用”本身的气候效应，并聚焦于具有重大现实意义的政策时间节点（《清洁空气行动计划》实施前后），使研究发现具有鲜明的时代性和政策关联性。第三，模型工具先进，自主研发的RegCM-Chem-YIBS在线耦合模型是完成此项复杂研究的关键，其实现了不同圈层过程的高频实时双向反馈，代表了该领域模型发展的先进水平。第四，研究发现重要且清晰，明确揭示了PM2.5、O3、CO2相互作用对东亚夏季风的影响在2013年前后发生了方向性逆转，这一结论对于理解近年东亚气候变异和指导未来环境政策具有重要启示。第五，研究结果具有广泛的参考价值，不仅适用于中国，其揭示的科学原理和方法论也对其他面临复合污染和气候变化压力的区域具有借鉴意义。此外，研究也坦诚指出了不确定性主要来源于排放清单和再分析驱动场，体现了科学的严谨性。这项研究是一项系统深入、创新性强、结论重要的高水平工作，显著推进了我们对人类活动影响区域气候复杂途径的认识。