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综述解读:对流层臭氧变化及其化学-气候的相互作用

       臭氧(O3)是地球大气中重要的微量气体,其浓度从近地面到50km高空存在着明显的差异,对生态环境及人类生活的影响也具有多面性。其中,约90%的O3集中在10-30km的平流层,只有10%左右的O3分布在对流层。平流层O3能够强烈的吸收太阳紫外辐射,像一道天然屏障般保护着地球生物圈,因而常被称为“地球的保护伞”。但在对流层中,O3即是一种重要温室气体也是一种污染气体。不仅能吸收地气系统的长波辐射而加热大气,还可参与大气光化学反应过程而改变其它温室气体的含量与分布,进而影响地气系统的辐射平衡。在近地面的边界层,高浓度的O3会导致光化学烟雾污染的形成。长时间暴露在高浓度的O3环境中不仅对人体健康产生危害,而且对植物生长及农作物产量也将造成不利影响(下图)。


        近几十年随着经济快速发展和工业化、城市化进程的加快,中国的大气环境也因日益突出的空气污染问题而备受关注。自2013年大气污染防治行动计划的实施开展,全国以细颗粒物(PM2.5)为首要污染物的空气质量总体得到了一定的改善,但空气污染的形势依然严峻。据《中国环境状况公报》统计,2013年以来全国O3浓度超标的城市数量明显增多,且在三大城市群(京津冀、长三角和珠三角)区域夏季发生O3重污染的频率增加,尤其在2017年,O3屡屡成为继PM2.5之后的空气首要污染物(下图)。然而相较于颗粒物污染的研究,我国在臭氧污染及其气候效应方面开展的研究相对较少。因此,围绕对流层O3及其化学-气候效应这一主题,南京信息工程大学廖宏教授课题组对近年来针对中国区域对流层O3关联的研究成果进行了较为系统的回顾,为了解中国O3污染变化规律和制定合理的排放控制规划提供参考。


        大气光化学反应生成是对流层O3的主要来源之一。其浓度除了受到前体物(主要是挥发性有机化合物和氮氧化物)排放的影响,它的化学生成、传输和沉降等过程还与气象条件密切相关。不利的气象条件如高温、近地面弱风、低湿以及不利的环流背景场等都会加剧O3浓度超标事件的发生。近来一些研究结果也表明植被与土壤是自然源挥发性有机化合物(BVOC,如异戊二烯、萜烯等)和氮氧化物(NOx)的重要来源,其排放量随气候、土地利用和土地覆盖变化是评估近地面O3浓度中长期变化的重要一环。值得关注的还有,在当前大气复合污染背景下中国区域较严重的气溶胶污染与对流层O3的相互作用。

        基于此作者将已有的研究结果进行总结归类,分别从排放、气象、东亚夏季风、土地覆盖和土地利用变化以及气溶胶对O3浓度的影响几个方面阐述了中国地区对流层O3浓度年际、年代际变化的影响机制和过程,对认识O3污染变化及浓度的长期变化趋势有重要的科学意义;此外,概述了在对流层O3影响气候变化、未来气候与排放变化影响O3浓度等方面的重要研究进展。并且提出了该领域未来仍需深入研究的问题和方向。

论文信息:

Fu, Y., H. Liao, and Y. Yang, 2019: Interannual and decadal changes in tropospheric ozone in China and the associated chemistry–climate interactions: A review. Adv. Atmos. Sci., 36(9), https://doi.org/10.1007/s00376-019-8216-9