南京大学的杨锦亚、王雨桐、张蕾和赵瑜（通讯作者）等研究人员于2025年2月28日在期刊 Atmos. Chem. Phys. 上发表了一项题为“Investigating the Response of China’s Surface Ozone Concentration to the Future Changes of Multiple Factors”的研究论文。这项研究隶属于大气化学与环境科学领域，聚焦于气候变化与污染治理双重背景下中国未来地面臭氧污染的演变趋势。

研究背景与目的 地面臭氧是一种通过氮氧化物和挥发性有机物在光照下发生光化学反应生成的二次污染物，对人体健康和农作物产量构成显著威胁，同时也是一种具有增温效应的短寿命气候强迫因子。过去十年间，中国在经历了臭氧浓度持续上升后，随着氮氧化物和挥发性有机物排放控制的加强，近年来臭氧污染加剧的趋势虽已得到初步遏制，但整体浓度水平仍远高于世界卫生组织的空气质量指导值，对国家未来公共卫生福祉构成巨大挑战。

除人为排放外，气象条件、生物源挥发性有机物排放以及跨境传输也被证实是影响中国臭氧浓度变化的重要因素。在未来的全球变化背景下，经济、气候和土地利用都将发生深刻且不确定的变化，这些因素将通过复杂的相互作用影响臭氧污染格局。然而，现有的研究往往存在局限性：或仅关注单一因素（如气候变化、人为排放）对未来臭氧的影响；或仅评估对暖季（通常臭氧污染严重）的年均影响，忽视了臭氧污染已向非暖季蔓延的趋势；或使用的排放情景未能充分考虑中国为实现“碳中和”目标而制定的雄心勃勃的能源与气候行动计划。此外，缺乏一个将未来气象条件、本地与跨境人为排放、生物源排放等多种因素变化纳入统一框架的综合评估研究，使得我们难以全面理解未来中国臭氧污染对复合变化的响应机制与空间异质性。因此，本研究旨在填补这一空白，在共享社会经济路径SSP2-4.5（一个中等级别的社会经济发展和辐射强迫情景）下，构建一个集成的模拟框架，系统评估直至2060年代，中国地表臭氧浓度对本地与跨境人为排放、气象条件及生物源排放等多重因素未来变化的综合响应，并从季节、区域和极端事件等多个维度，为制定精准的臭氧污染防控策略提供科学依据。

详细研究流程 本研究采用了一个综合的数值模拟与分析框架，主要包括以下步骤：

1. 模型系统构建与情景设计：研究团队构建了由天气研究与预报模型、自然源气体和气溶胶排放模型、社区多尺度空气质量模型组成的耦合模拟系统。模拟范围覆盖东亚及部分亚洲地区，水平分辨率为27公里×27公里。研究定义了当前时段为2020年代，未来时段为2060年代，并使用为期5年的模拟结果平均来减小气象条件的年际变率影响。
2. 多源数据输入与处理：研究采用了多元化的未来情景数据。
   • 气象数据：使用国家大气研究中心的社区地球系统模型在RCP4.5情景下的偏差校正输出作为WRF模型的初始和边界条件，对2018-2022年和2058-2062年两个时段进行动力降尺度模拟。
   • 生物源排放：利用MEGAN模型计算网格化BVOC排放。2020年的叶面积指数数据来自全球陆地卫星产品，2060年的数据则基于SSP2-4.5情景下的CMIP6模式输出进行降尺度。2020年的植物功能类型数据来自MODIS卫星产品，而2060年中国的PFT数据采用了Liao等人的预测结果，其他地区保持不变。
   • 人为排放清单：中国的本地人为排放数据，2020年来自中国多尺度排放清单，2060年则来自SSP2-4.5情景下的动态排放预测模型。该模型整合了中国最新的能源转型和末端治理技术信息，比传统全球清单更贴近中国实际的减排路径。中国以外地区的人为排放则基于SSP2-4.5情景下的CMIP6数据集，并利用亚洲区域排放清单的时空分布模式进行降尺度处理。
3. 敏感性实验设计：为了分离不同因素的影响，研究设计了6个CMAQ模拟情景案例。
   • 案例1 (2020s)：代表当前（2020年代）的基准情景，所有因素采用当前水平。
   • 案例2 (2060s)：代表未来（2060年代）的基准情景，所有因素采用未来预测水平。
   • 案例3 (emis)：未来本地排放，其他因素为当前水平。用于评估本地人为排放变化的单独影响。
   • 案例4 (clim)：未来气象条件，其他因素为当前水平。用于评估气候变化（气象条件）的单独影响。
   • 案例5 (bvoc)：未来BVOC排放，其他因素为当前水平。用于评估生物源排放变化的单独影响。
   • 案例6 (surr)：未来周边国家排放，其他因素为当前水平。用于评估跨境传输的单独影响。
4. 模型性能验证：为确保模拟的可靠性，研究对气象场、生物源排放估算和臭氧浓度模拟进行了验证。对比观测数据显示，降尺度后的气象场能较好地再现温度、湿度的时空分布；CMAQ模型模拟的暖季臭氧浓度时空分布与观测网络数据吻合度较高，尽管存在轻微高估，但性能与同类研究相当。5年模拟结果的年际变异性较小，保证了平均值的代表性。
5. 数据分析与机制探究：研究分析了多情景模拟的输出结果，重点包括：
   • 计算并对比了2020年代与2060年代暖季和非暖季的中国及重点区域平均MDA8臭氧浓度的变化。
   • 通过各敏感性案例与基准案例的差值，量化了气象、本地排放、生物源排放和跨境排放四因素的单独贡献。
   • 绘制并分析了臭氧与二氧化氮浓度的关系散点图，通过拟合对数正态曲线，探讨了不同区域和季节臭氧生成对前体物敏感性（即臭氧生成机制）的变化。
   • 统计了当前和未来中国东部地区臭氧超标（日最大8小时平均浓度超过中国国家空气质量二级标准，即81.6 ppb）的天数变化，并分析了各因素的影响。

主要研究结果 1. 未来气象与生物源排放变化：在SSP2-4.5情景下，至2060年代，中国暖季日最高气温普遍升高约1.0°C，相对湿度小幅下降，风速变化不大；非暖季气温变化较小且存在区域差异。BVOC总排放量预计从2020年代的33.6 Tg/yr增长至2060年代的43.4 Tg/yr，增幅达29.2%，尤其在植被覆盖度高的南方地区增长更为显著。 2. 臭氧浓度对综合变化的响应： * 整体趋势：从2020年代到2060年代，全国平均的MDA8臭氧浓度在暖季预计下降7.7 ppb，在非暖季下降1.1 ppb。全国臭氧超标天数将大幅减少。 * 区域差异：在暖季，京津冀、长三角和珠三角这三个发达地区的臭氧下降幅度更大，分别减少9.7、14.8和12.5 ppb。然而，在非暖季，京津冀和长三角的臭氧浓度预计不降反升，分别增加5.5和3.3 ppb。珠三角在非暖季的臭氧则呈下降趋势。这表明未来臭氧污染有向非暖季扩展的风险。 * 月度变化：暖季臭氧下降显著，导致臭氧峰值污染时段向春季（3月）和秋季（10月）延伸，尤其是在长三角和珠三角地区。 3. 各影响因素的贡献分解： * 本地人为排放变化是主导因素，贡献了暖季全国臭氧下降量的主要部分（约93%）。暖季，减排导致全国大部分地区臭氧下降超过10 ppb。但在非暖季，减排对北方（如京津冀）和南方（如珠三角）的臭氧产生了相反的效应：北方臭氧因减排而上升，南方则下降。这归因于季节性的臭氧生成机制差异。 * 气候变化（气象条件） 在暖季对大部分地区臭氧有小幅促进作用（全国平均+0.3 ppb），其中长三角地区影响相对较大（+1.9 ppb）。在非暖季，气象变化的影响微弱。 * 生物源排放增加 整体上会轻微抬升臭氧浓度，暖季影响（全国平均+0.6 ppb）大于非暖季。在氮氧化物排放本就较高的京津冀地区，其抬升作用更为明显（+2.1 ppb）。 * 周边国家排放变化 对中国大部分地区的臭氧浓度有轻微的抑制作用（主要影响边境和沿海地区）。 4. 臭氧生成机制的演变与非线性相互作用：研究通过分析臭氧与二氧化氮的关系发现，未来大幅减排将显著改变臭氧生成机制。 * 在暖季，京津冀和长三角将从目前的弱VOC控制区向过渡区或NOx控制区转变。珠三角则从过渡区/NOx控制区向更强的NOx控制区转变。 * 在非暖季，京津冀和长三角预计仍将维持VOC控制区，这意味着仅靠大幅减排NOx（削弱其对臭氧的滴定清除作用）而VOC减排相对不足，将导致臭氧浓度上升。这解释了这两个地区非暖季臭氧上升的现象。 * 重要的非线性效应：多种因素的联合效应（总下降7.7 ppb）大于各因素单独效应之和。这是因为在本地排放大幅削减、环境转变为低氮氧化物水平的未来情景下，臭氧对BVOC增加的敏感性降低。这表明，强有力的本地人为减排不仅直接降低了臭氧浓度，还通过改变臭氧生成机制，削弱了气候变化（通过增加BVOC）带来的负面“气候惩罚”效应，产生了协同减排效益。 5. 臭氧超标事件的变化：本地排放减排是减少臭氧超标天数的决定性因素，尤其在京津冀地区效果显著。气候变化（尤其是升温、变干）将在江苏、安徽、河南、河北等地增加臭氧超标风险。BVOC排放的增加也会在全国范围内轻微增加超标天数，其影响不可忽视。

研究结论与意义 本研究系统评估了在SSP2-4.5路径下，多重因素变化对中国未来地面臭氧污染的综合影响。核心结论是：尽管至2060年代，中国暖季臭氧污染将因强有力的人为减排而得到显著改善，但臭氧污染存在向非暖季扩展的明显趋势，尤其是在京津冀和长三角地区，这主要源于NOx大幅减排导致的滴定效应减弱。本地人为排放控制是决定未来臭氧分布和水平的最关键因素。气候变化和生物源排放增加将带来额外的“气候惩罚”风险，但这种风险可以被协同的深度减排所缓解，因为减排改变了臭氧生成机制，降低了系统对BVOC增加的敏感性。

本研究的科学价值在于首次在一个统一的模拟框架内，综合评估了包含中国本土雄心减排路径在内的多种未来因素对中国臭氧的联合与单独影响，并深入揭示了其背后的化学反应机制（臭氧生成敏感性转变）和非线性相互作用。其应用价值突出体现在为制定差异化和前瞻性的臭氧污染控制策略提供了关键依据：对于京津冀和长三角等地区，未来需特别关注非暖季的臭氧污染控制，并加强VOC的减排力度以匹配NOx的减排进度，从而推动臭氧生成机制的根本转变，实现全年度的空气质量改善。同时，研究强调了持续深化人为减排对于抵御未来气候变化带来的空气质量恶化风险具有双重效益。

研究亮点 1. 框架创新：构建了首个同时整合未来气象、基于中国本土政策情景的精细化人为排放、动态变化的生物源排放以及跨境传输等多重因素的统一评估框架。 2. 视角全面：不仅关注暖季和年均浓度，更深入分析了非暖季臭氧的响应，并探讨了臭氧超标事件的未来变化，提供了更全面的风险图景。 3. 机制洞察：通过臭氧-NO2关系分析，清晰地揭示了未来不同区域和季节臭氧生成机制的演变，从化学原理层面解释了非暖季臭氧上升的原因以及多因素联合效应的非线性本质。 4. 政策关联：直接采用融合了中国“碳中和”路径的动态排放预测模型数据，使研究结论更贴近国家实际政策规划，增强了决策支持价值。