本研究题为“气溶胶-臭氧相互作用：以中国东南沿海五省为例”，由Minxia Liu、Yang Wang和Xiaowen Wang共同完成，他们均来自西北师范大学地理与环境科学学院。该研究于2023年8月7日收稿，2024年12月18日接受，并发表在期刊《Environment, Development and Sustainability》上。本文旨在深入探讨中国东南沿海地区不同模态的气溶胶辐射强迫如何影响近地面臭氧浓度，填补了现有研究在这一特定区域的空白，为制定协同控制大气颗粒物与臭氧污染的方案提供了科学依据。
学术背景与目的 气溶胶和臭氧是大气中的关键组分，对气候、环境和人类健康具有重要影响。气溶胶通过吸收和散射太阳辐射，不仅直接影响地气系统的能量平衡，还能改变光解速率，从而影响臭氧的生成与分解。近地面臭氧作为一种二次污染物，主要由氮氧化物（NOx）和挥发性有机化合物（VOCs）经过复杂的光化学反应生成。高浓度的臭氧会损害人体健康和生态系统。中国东南沿海地区人口密集、工业化和城市化水平高，能源消耗和污染物排放集中，面临着严峻的复合型大气污染问题。尽管已有大量针对单一污染物（如颗粒物、二氧化氮）的研究，但对于气溶胶（尤其是其不同模态，如粗模态和细模态）如何通过辐射效应影响臭氧浓度，特别是不同模态气溶胶辐射强迫与臭氧之间的具体关系，尚缺乏深入的认识。因此，本研究旨在：1）分析东南沿海五省（江苏、浙江、福建、广东、上海）2005-2021年间气溶胶与臭氧浓度的长期变化趋势；2）探究气象条件、前体物排放等因素对两者关系的影响；3）利用模型量化典型天气条件下（如沙尘天气和城市重污染天气）不同模态气溶胶辐射强迫对近地面臭氧的具体影响，从而深化对气溶胶-臭氧相互作用机制的理解。
详细工作流程 本研究是一项结合长期观测数据分析与模型模拟的综合研究，其工作流程主要包含以下几个步骤：
第一步：研究区域界定与数据收集。 研究区域为东南沿海五省（20.22°N ~ 35.33°N, 109.65°E ~ 122.2°E）。研究团队从多个公开数据库收集了2005年至2021年长达17年的数据。具体包括：1）卫星遥感数据：从Aura卫星的臭氧监测仪（OMI）获取总臭氧柱浓度和对流层臭氧浓度，从气溶胶自动观测网（AERONET）获取气溶胶光学厚度（AOD）、埃指数（AE）、单次散射反照率（SSA）、消光埃指数（EAE）等气溶胶光学特性参数。2）地面观测数据：从中国环境监测总站网站获取每日近地面臭氧（O3）、可吸入颗粒物（PM10）和细颗粒物（PM2.5）浓度。3）排放清单数据：采用清华大学开发的亚洲人为源排放清单（MEIC），获取研究区域2017-2021年间NOx和VOCs的月均排放数据。4）气象数据：从美国国家环境预报中心（NCEP）获取风场和涡度数据，以及降水数据。5）地形数据：采用中国科学院提供的90米空间分辨率的数字高程模型（DEM）。所有数据均进行了时空匹配和整合，为后续分析奠定了基础。
第二步：长期趋势与季节性特征分析。 研究团队首先对收集到的长时序数据进行统计分析，计算了AOD、总臭氧柱、对流层臭氧和近地面臭氧的年均值和季节性均值，并通过绘制时间序列图和月/季节变化图，揭示了它们从2005年到2021年的变化趋势和季节性分布规律。例如，通过计算年均变化量，发现AOD和总臭氧柱呈下降趋势，而对流层和近地面臭氧呈上升趋势。季节性分析则识别出AOD高值出现在春夏，近地面臭氧高值出现在夏秋，PM10和PM2.5高值出现在冬春。
第三步：关键参数关系探究与气溶胶类型识别。 利用AERONET站点数据，研究团队重点分析了气溶胶关键光学参数之间的关系及其对臭氧的影响。他们绘制了AOD、AE与近地面臭氧浓度的三维散点图，以及EAE、SSA与臭氧浓度的三维散点图。AE用于判断气溶胶粒径大小（AE>1为细模态主导，AE为粗模态主导），EAE也反映粒径，SSA则表征气溶胶的吸收/散射特性。通过这些参数组合，可以识别占主导地位的气溶胶类型（如沙尘型、城市/工业型、生物质燃烧型）。这步分析旨在建立气溶胶的物理/光学属性与臭氧浓度之间的统计关联。
第四步：气象与排放因子影响分析。 为了厘清除气溶胶本身特性外的影响因素，研究团队系统分析了气象条件和前体物排放的作用。他们分析了PM10、PM2.5、降水与AOD、臭氧的相关性，探讨了不同季节相关性的差异及其可能原因。此外，还通过三维散点图展示了NOx、VOCs排放浓度、AOD与近地面臭氧之间的复杂关系，并分析了不同排放源（交通、工业、能源等）的贡献。同时，利用风场和涡度图，分析了不同季节大气环流形势（如高压系统、风速）对污染物扩散和聚集的影响。
第五步：潜在污染来源与传输路径分析。 为了解影响研究区域（以南京为例）污染物的外来源区，研究团队采用美国国家海洋和大气管理局（NOAA）和澳大利亚气象局联合开发的HYSPLIT模型进行后向轨迹模拟。他们以南京（32.04°N， 118.78°E）为终点，设置500米起始高度，模拟了2021年至2022年间逐日逐小时到达的48小时气流后向轨迹。然后，使用欧几里得距离算法对这些轨迹进行聚类分析，并通过总空间方差（TSV）方法确定最佳聚类数量。最终得到不同季节主要的输送路径（如西北路径、海上路径），并结合污染物浓度数据，分析不同路径带来的气团特性及其对污染物浓度的影响。
第六步：气溶胶辐射强迫对臭氧影响的模型量化。 这是本研究的核心与创新环节。为了定量评估不同模态气溶胶的辐射效应如何影响臭氧，研究团队采用了大气辐射传输模型SBDART。该模型用于计算地气系统的平面平行辐射传输。研究选取了2021年两个典型天气条件作为案例：一是基于中国气象局定义的沙尘天气（能见度1-10公里），二是基于地面监测站颗粒物浓度极高的城市污染天气。以AERONET观测的AOD、SSA、非对称参数等作为SBDART模型的输入参数，并结合OMI反演的地表反照率、太阳天顶角等，分别计算了有/无气溶胶情况下的辐射通量。关键输出是气溶胶辐射强迫（ARF），分别计算了大气层顶（TOA）、大气层内（ATM）和地表（BOT）的ARF值。具体公式为：净辐射（F_net）= 向下辐射（F_down） - 向上辐射（F_up）；TOA的ARF = 有气溶胶时的净辐射（F_net^y） - 无气溶胶时的净辐射（F_net^n）；BOT的ARF计算类似；ATM的ARF = ARF_TOA - ARF_BOT。正值表示增温效应，负值表示冷却效应。通过比较沙尘天气（粗模态主导）和城市污染天气（细模态主导）下的ARF值差异，以及这些ARF值与同时段近地面臭氧浓度的关系，来揭示不同模态气溶胶辐射强迫影响臭氧的物理机制。
主要研究结果 1. 长期与季节性变化趋势： 2005-2021年间，东南沿海五省的AOD和总臭氧柱整体呈下降趋势（分别下降0.04和6.68 DU），而对流层臭氧和近地面臭氧浓度呈上升趋势（分别上升2.87 DU和2.46 µg/m³）。2019年后，所有指标均显著下降，这归因于中国加强空气污染治理（如“蓝天保卫战”）以及新冠疫情期间人类活动减少。季节性上，总臭氧柱高值出现在冬春季，低值在夏秋季；对流层和近地面臭氧高值出现在夏秋季，低值在冬春季；AOD高值在春夏，低值在秋冬；PM10和PM2.5浓度高值在冬春，低值在夏季。这体现了不同污染物受光化学条件、气象扩散条件和人为排放季节变化的综合影响。
2. 气溶胶特性与臭氧的关联： 三维散点图分析表明，当AE值较低（粗模态气溶胶主导，如沙尘）且AOD较高时，近地面臭氧浓度较低。这是因为粗颗粒（如沙尘）提供了巨大的非均相反应表面，能破坏臭氧或消耗其前体物，同时显著削弱到达地面的太阳辐射，降低光解速率，从而抑制臭氧生成。相反，当AE值较高（细模态气溶胶主导，如城市污染）时，臭氧浓度倾向于更高。细模态颗粒虽然也减少地面太阳辐射，但减弱程度不如粗模态显著，因此对光解速率的抑制相对较弱，有时甚至可能导致臭氧浓度增加。高SSA（散射性强）和高EAE（细颗粒）的城镇/工业型气溶胶通常对应较高的地面臭氧。
3. 影响因素分析结果： 相关性分析显示，近地面臭氧与AOD在秋季呈显著负相关，在冬春季负相关性较弱。PM10、PM2.5与臭氧在春夏呈负相关，支持了颗粒物消光作用抑制臭氧光化学生产的观点。降水与臭氧在夏季呈显著正相关，可能与高温高辐射下增强的光化学反应有关。NOx和VOCs排放浓度越高、AOD值越高时，地面臭氧浓度反而越低，这可能是因为高浓度NOx会与臭氧发生滴定反应消耗臭氧，同时高AOD下光解减弱。气象分析表明，高压系统和低风速条件不利于污染物扩散，会导致臭氧浓度进一步累积或变化复杂化。
4. 后向轨迹聚类结果： 对南京的轨迹分析显示，春季气流主要来自西北和东部，携带沙尘，导致AOD升高、臭氧降低。夏季主导气流为清洁的海风。秋季以东北方向长距离输送为主，污染物在途中有所扩散。冬季则以西北短距离输送为主，来自内陆的污染物在输送过程中积累，加之冬季取暖和机动车排放增加，细模态城镇/工业气溶胶占主导，导致PM和其前体物浓度升高。
5. 模型量化核心结果： SBDART模型模拟揭示，在2021年沙尘天气下，粗模态沙尘气溶胶导致大气层顶（TOA）和地表（BOT）产生较强的负辐射强迫（冷却效应），平均值分别为-18.53 W·m⁻²和-62.53 W·m⁻²，而在大气层内（ATM）产生强的正强迫（增温效应，+59.91 W·m⁻²）。这种强烈的冷却效应显著减少了到达地面的太阳辐射，导致NO2等物质的光解速率大幅降低，从而使近地面臭氧浓度下降。相比之下，在城市重污染天气下，细模态气溶胶产生的TOA和BOT负辐射强迫绝对值较小（分别为-13.4 W·m⁻²和-56.5 W·m⁻²），ATM的正强迫也较弱（+34.2 W·m⁻²）。这意味着细颗粒对太阳辐射的削弱作用不如粗颗粒强烈，因此对光解速率的抑制不明显，有时甚至可能因为其他复合过程（如非均相反应路径的改变）而导致近地面臭氧浓度升高。此外，研究还指出，臭氧本身也能吸收辐射，其增温作用会部分抵消地表的负气溶胶辐射强迫值。
结论与意义 本研究系统阐明了中国东南沿海地区气溶胶与臭氧相互作用的复杂图景。主要结论包括：1）该区域气溶胶负荷有所减轻，但臭氧污染压力仍在增加，且两者呈现明显的季节分异。2）气溶胶对臭氧的影响高度依赖于其模态。粗模态气溶胶（如沙尘）通过强烈的辐射冷却效应显著抑制光化学反应，降低地面臭氧；而细模态气溶胶（如城市污染）的辐射效应相对较弱，对臭氧光化学生产的抑制不明显，在某些条件下可能伴随较高的臭氧浓度。3）气象条件、前体物排放和区域传输共同调制着气溶胶-臭氧的相互关系。
本研究的科学价值在于：首次在中国东南沿海这一典型区域，综合运用长期观测与辐射传输模型（SBDART），定量区分并揭示了不同模态气溶胶辐射强迫对近地面臭氧影响的差异化机制。它深化了对“气溶胶-辐射-光化学-臭氧”这一连锁过程的理解，特别是明确了粗、细模态气溶胶在其中扮演的不同角色。其应用价值在于：研究结果为该区域乃至中国其他类似地区制定差异化和协同控制策略提供了关键的科学依据。例如，在沙尘频发的春季，控制重点可能在于防护和减少本地扬尘；而在细颗粒物和臭氧协同污染突出的夏秋季，则需实施对NOx和VOCs等前体物的精准协同减排，并充分考虑气象条件的预报与应对。同时，研究强调了在气候变化和污染治理双重背景下，需要综合考虑不同污染物之间的相互作用，以实现空气质量持续改善与气候协同效益的双赢。
研究亮点 1. 研究对象与区域的典型性： 聚焦于中国经济最活跃、污染问题复杂的东南沿海五省，研究结论具有重要的现实指导意义。 2. 多源数据与长时序分析： 综合利用了跨度17年的卫星遥感、地面监测、排放清单和气象等多源异构数据，全面揭示了气溶胶与臭氧的长期演变规律和季节性特征。 3. 创新性的方法组合： 创造性地将气溶胶光学参数分析（AOD， AE， SSA）、后向轨迹模型（HYSPLIT）和辐射传输模型（SBDART）相结合。这种“观测统计-来源解析-机制量化”的研究框架，使得从现象描述深入到物理机制阐释成为可能。 4. 核心发现的新颖性： 明确量化并对比了沙尘（粗模态）和城市污染（细模态）两种典型天气下，气溶胶辐射强迫的差异及其对近地面臭氧浓度产生的相反效应。这一发现挑战了“气溶胶增多总是降低臭氧”的简单认知，强调了气溶胶模态特异性在评估其气候和环境效应时的重要性。 5. 对协同控制政策的支撑： 研究直接回应了当前中国面临的PM2.5与臭氧协同控制的重大需求，其结论可为“精准治污、科学治污”提供具体的科学参考和技术指导。