关于台风外围下沉气流如何改变近地面臭氧峰值成因的学术研究报告
本研究由陆宏成1,2,3、曾建强1、宋伟1、裴承雷4、张金谱1,4,5、田潇1,5、唐文浩1,5、方乐1,5、张艳利1,5、耿雷2,3、王新明1,5共同完成。研究团队主要来自中国科学院广州地球化学研究所（环境资源利用与保护广东省重点实验室、环境科学技术国家高级实验室）、中国科学技术大学（地球和空间科学学院、深空探测实验室国家关键实验室）、广东省广州生态环境监测中心站以及中国科学院大学资源与环境学院。该研究成果于2026年发表在《Journal of Geophysical Research: Atmospheres》期刊上（论文识别号：e2025JD044948）。
一、 学术背景 本研究的科学领域属于大气环境科学，具体聚焦于极端天气事件（台风）与区域空气污染（臭氧）的相互作用机制。近地面臭氧（O3）是一种有害的空气污染物，对人体健康、农作物产量及对流层氧化能力均有重要影响。其生成依赖于前体物（氮氧化物NOx、挥发性有机物VOCs等）在阳光下的光化学反应。尽管已实施多年的排放控制，夏季臭氧污染在许多地区仍持续加剧，凸显了在排放、化学和气象过程相互作用方面仍存在认知空白。
西北太平洋台风是引发沿海地区极端臭氧事件的重要气象驱动因子。台风外围（尤其是西侧）的下沉气流（subsidence）能够稳定边界层、减少云量、增温并削弱湍流扩散，这些条件共同为臭氧的生成和累积创造了极为有利的环境。然而，在台风外围下沉影响下，地表臭氧浓度的急剧升高究竟主要是由局地光化学生产加速主导，还是由来自高空富臭氧空气的垂直输送主导，其相对贡献一直缺乏直接的观测证据和清晰的界定。以往研究多依赖于化学传输模型进行间接推断，其结果存在较大不确定性。因此，厘清下沉强度如何调控这两种机制之间的平衡，对于准确预报台风期间的臭氧污染峰值、制定有效的预警和防控策略至关重要。
本研究的核心目标，即是利用高塔通量观测这一直接手段，首次定量揭示台风外围下沉强度如何“切换”地表臭氧峰值的主要成因机制——是从局地光化学生产主导，转变为垂直输送主导。研究旨在通过对比分析两次不同强度台风下沉事件期间的观测数据，阐明下沉强度是决定臭氧峰值成因的关键“开关”，从而为沿海大城市极端臭氧事件的机制理解、预报和应对提供坚实的科学依据。
二、 详细研究流程 本研究是一项基于外场观测的对比案例研究，工作流程主要包括观测站点与仪器部署、数据采集与通量计算、案例定义与对比分析三个主要部分。
1. 观测站点与仪器部署 研究选择了位于中国珠江三角洲核心区域、高达600米的广州塔作为观测平台。该塔地处粤港澳大湾区中心，周边3公里范围内包含高密度居民区、主要交通干道和中央商务区，具有典型的城市下垫面代表性。观测仪器部署在两个高度：118米和168米。每个高度均配备了用于测量臭氧（O3）、氮氧化物（NOx）和一氧化碳（CO）的分析仪（均为美国Thermo Scientific公司产品，型号分别为49i, 42i, 48i），空气通过特氟龙管线采样。仪器精度分别为：O3 ±1 ppb，NOx ±0.4 ppb，CO ±0.1 ppm。此外，还使用三维超声风速仪（IRGASON, Campbell Scientific）以10赫兹频率记录三维风速（u, v, w）和声波虚温，用于计算摩擦速度（u*）、奥布霍夫长度（L）和感热通量等湍流参数。同时记录了相对湿度、气温和太阳总辐射等气象要素。
2. 数据采集与通量计算 本研究的关键创新在于采用了空气动力学梯度通量法来直接量化污染物的垂直输送通量。通量计算基于莫宁-奥布霍夫相似性理论。具体而言，利用118米和168米两个高度测量的污染物平均浓度差（梯度）、以及由超声风速仪观测推导的摩擦速度（u*）和大气稳定度参数（通过奥布霍夫长度L和通用函数ψ_h进行校正），计算得到30分钟平均的NOx、O3、CO及OX（O3+NO2）的垂直湍流通量（F）。计算公式为：F = -u*κ * (∂c/∂[ln(z-d) - ψ_h((z-d)/L)])，其中κ为冯卡门常数（0.40），z为测量高度，d为零平面位移。
数据处理遵循严格的质量控制标准：剔除摩擦速度u* < 0.2 m s⁻¹（表征湍流混合过弱）的时段，以及梯度信噪比（平均浓度差与浓度差标准偏差之比）≤1的时段。此外，为排除化学反应在测量高度间造成的显著干扰，研究还引入了达姆科勒数（Da）进行判断，剔除了Da > 1（即化学转化速率快于湍流混合速率）的数据。经过质量控制，最终数据获取率分别为：NOx 76%，O3 79%，OX 77%，CO 93%。通量计算的不确定性（综合考虑分析仪精度、采样管线对齐和稳定度校正等因素）被控制在20%以内。在本研究中，正通量表示由地表向大气的向上输送，负通量表示由大气向地表的向下输送。
3. 案例定义与对比分析 研究重点分析了两次发生在珠江三角洲的台风外围下沉事件：2021年9月的台风“灿都”（Chanthu）事件和2022年9月由多个台风（“洛克”、“诺卢”、“南玛都”、“梅花”、“轩岚诺”）共同作用形成的复合型台风下沉事件。
对于每次事件，研究团队根据大气通风指数（Ventilation Index, VI）的变化，清晰划分了“背景期”和“下沉控制期”。通风指数是衡量大气扩散能力的指标，低值表示大气输送扩散能力弱。在2021年案例中，9月1-6日为背景期（VI ≈ 4×10³ m² s⁻¹），9月7-17日为“灿都”台风外围下沉控制期（VI < 3×10³ m² s⁻¹）。在2022年案例中，9月1-2日为背景期（VI ≈ 7.3×10³ m² s⁻¹），9月9-20日为复合台风下沉控制期（VI降至2.2×10³ m² s⁻¹）。
研究通过对比两个案例在下沉控制期与背景期的气象条件（温度、湿度、辐射）、污染物浓度垂直廓线以及最关键的通量数据（特别是O3通量和作为下沉强度示踪剂的CO通量），并结合光稳态态（PSS）估算的净臭氧生成速率等辅助分析，系统剖析了不同下沉强度下臭氧生成和输送机制的差异。
三、 主要研究结果 研究获得了清晰且具有对比性的观测证据，直接揭示了两种截然不同的臭氧污染形成机制。
1. 台风外围下沉均导致显著的臭氧浓度峰值 在两个案例中，一旦进入下沉控制期，近地面臭氧浓度均出现大幅跃升。2021年“灿都”事件期间，118米高度O3平均浓度从背景期的33 ppb上升至54 ppb，增幅达66%；168米高度从33 ppb升至53 ppb，增幅62%。2022年复合台风事件期间，118米高度O3从46 ppb升至72 ppb（+56%），168米高度从49 ppb升至76 ppb（+55%）。同时，观测到气温升高、湿度降低、太阳辐射略有增强，这与台风下沉气流导致的绝热增温、云量减少的典型气象效应相符。NOx和OX浓度也同步上升，证实了下沉气流为污染物累积提供了有利的“容器”。
2. CO通量作为下沉强度的有效示踪剂 CO因其长达数周的大气寿命，其垂直通量主要受物理输送过程控制，是示踪机械下沉运动的理想指标。在背景期，CO通量值较小且方向不定，反映了城市排放与充分混合的边界层之间的正常交换。进入下沉控制期后，CO通量发生了显著变化：2021年“灿都”事件中，CO通量从背景期的-0.6 μmol m⁻² s⁻¹变为-1.2 μmol m⁻² s⁻¹，表明存在中等强度的向下输送。而在2022年复合台风事件中，CO通量发生了剧烈的逆转，从背景期的+1.4 μmol m⁻² s⁻¹急剧转变为下沉期的-10 μmol m⁻² s⁻¹。这个强烈且持续的负CO通量明确指示了更强、更持久的下沉运动几乎完全抑制了向上的湍流交换。研究进一步将CO通量与ERA5再分析资料中的垂直速度（ω，正值代表下沉）进行对比，发现两者在两次事件中均呈现显著的负相关关系，这从统计学上验证了向下CO通量可以作为气象下沉强度的可靠观测代理指标。
3. 两种对比鲜明的臭氧通量机制 基于CO通量指示的下沉强度差异，研究发现了臭氧通量行为的根本性不同： * 2021年案例（光化学主导型）：在中等强度的下沉作用下，气象条件表现为高温、晴朗但仍有适度通风。白天O3通量从背景期的+18 nmol m⁻² s⁻¹大幅增加至下沉期的+80 nmol m⁻² s⁻¹，表现为强烈的向上通量。OX通量也呈现类似的向上增加趋势。值得注意的是，白天O3通量与气温（r=0.58）及感热通量（r=0.51）呈显著正相关。这表明，更高的温度主要关联着更强的局地光化学生产，新生成的臭氧被湍流向上输送，使得城市区域表现为一个净的臭氧源。整个事件期间净O3通量为+40 nmol m⁻² s⁻¹，支持局地生产主导的结论。 * 2022年案例（输送主导型）：在强而持久的深沉下降气流作用下，边界层异常稳定。O3通量从背景期的-53 nmol m⁻² s⁻¹进一步变为更负的-100 nmol m⁻² s⁻¹，表现为强烈的向下输送。与此同时，白天O3通量与气温（r=-0.57）及感热通量（r=-0.48）转变为显著的负相关。这一关系的反转至关重要：在强下沉背景下，更高的温度与更强烈的下沉运动紧密关联，下沉气流将高空的富臭氧空气向下“拖拽”的速率，超过了近地面光化学反应产生臭氧并向上输送的速率，从而导致更强的向下O3通量。净臭氧通量为强烈的负值，表明垂直输入是地表臭氧峰值的主要贡献者。
4. 垂直廓线证据支持机制切换 夜间（排除了光化学反应干扰）的污染物垂直廓线提供了进一步的证据。在2021年中等下沉案例中，O3和NOx浓度在整个测量高度（5米至488米）均有增加，表现为“整层累积”模式，这与边界层整体压缩、污染物被困有关，但没有强烈的垂直结构重塑。而在2022年强下沉案例中，O3的增幅在488米高处（+43 ppb）远大于近地面5米处（+19 ppb），呈现“自上而下”的增强模式；同时NO2在近地面强烈累积而在高空略有减少。这种垂直结构符合强下沉将高空（相对清洁的）富臭氧空气向下输送，同时抑制了近地面排放的NOx向上扩散的物理图像。
这些结果逻辑连贯地指向一个核心结论：下沉强度是调控地表臭氧峰值成因的“开关”。中等下沉主要通过创造高温静稳条件加速局地光化学生产，导致臭氧向上通量；而强下沉则主要通过机械力将高空臭氧向下输送，导致臭氧向下通量，尽管此时局地光化学可能也在增强，但已非主导因素。
四、 研究结论与意义 本研究通过广州塔的高分辨率梯度通量观测，首次为台风外围下沉影响下地表臭氧峰值的成因机制切换提供了直接证据。结论明确指出：台风外围下沉气流的强度决定了沿海城市极端臭氧事件是由局地光化学生产主导，还是由垂直输送主导。在中等强度、短暂的下沉中（如2021年“灿都”案例），局地光化学加速是主因；而在强度大、持续时间长的下沉中（如2022年复合台风案例），来自高空的臭氧垂直输入则成为主导机制。
这项研究的科学价值在于，它突破了以往仅依靠浓度观测和模型模拟的局限，通过直接的通量观测，清晰地辨析了长期存在争议的两种臭氧生成机制在不同气象强迫下的相对重要性，深化了对气象-化学耦合过程的理解。其应用价值尤为突出：研究指出，单纯依赖温度等传统气象指标来预测台风期间的臭氧污染可能产生误导。相反，通风指数（VI < 4×10³ m² s⁻¹）结合CO通量（转为负值）可以作为实时诊断臭氧污染主导机制的有效指标。这一发现为改进化学传输模型和统计预报模型提供了关键的物理机制和诊断逻辑。
在实践层面，该研究为差异化、精准化的空气质量管理和公共健康应对提供了重要依据：在光化学主导型事件中，实施本地VOCs和NOx排放控制措施仍然是缓解臭氧峰值有效手段；而在输送主导型事件中，由于本地排放控制效果有限，应对策略的重心应转向提前预警、公众健康提示和暴露缓解措施（如减少户外活动）。研究明确了台风下沉强度是选择不同应对策略的关键决策因子。
五、 研究亮点 1. 方法创新：首次在城市高塔上系统应用空气动力学梯度通量法，连续观测台风期间NOx、O3、CO等关键痕量气体的垂直交换，为辨析光化学产生与物理输送过程提供了直接、定量的观测手段。 2. 机制突破：首次通过观测证据，明确揭示了台风外围下沉强度是“切换”地表臭氧峰值主要成因（局地生产 vs. 垂直输送）的关键控制因子，解决了该领域的一个核心不确定性。 3. 清晰的物理图像：研究综合利用通量符号、通量与气象因子的相关关系、污染物垂直廓线形态以及CO通量作为下沉强度示踪剂等多维度证据，构建了完整、自洽的物理图像，论证有力。 4. 明确的诊断指标：提出了将通风指数与CO通量结合作为实时判别污染类型的实用诊断方案，具有直接应用于业务化预报和预警系统的潜力。 5. 重要的管理启示：研究结论直接关联到差异化的空气质量应对策略，强调了在强下沉输送型污染中，从“减排”到“防灾”的策略转变必要性，具有显著的社会应用价值。
六、 其他有价值的内容 研究在讨论部分还提及，尽管两个案例清晰展示了机制的切换，但要精确量化局地化学和输送过程对臭氧峰值的具体贡献比例，仍需未来结合通量约束的化学传输模型进行更深入的量化研究。这为后续工作指明了方向。此外，文中对数据处理中如何排除化学干扰（使用达姆科勒数）的说明，也体现了观测实验设计和数据分析的严谨性。