近日，国际权威期刊《PNAS》（美国科学院院刊）在线发表了题为 “Ozone pollution in the North China Plain spreading into the late-winter haze season” 的研究论文，报道了我国华北地区臭氧污染季延长的成因及应对策略。此项成果由Harvard-NUIST空气质量和气候联合实验室负责人我校廖宏教授和哈佛大学Daniel J. Jacob教授领衔、联合多家单位共同完成。
近年来，我国在大气PM2.5污染治理方面取得了显著的成效，但随着夏季近地面臭氧污染问题的日益凸显，污染防治策略正在从以PM2.5治理为首要目标向PM2.5和臭氧协同治理转变。近地面臭氧污染是由氮氧化物（NOx）和挥发性有机化合物（VOCs）在太阳紫外线的照射下通过复杂的光化学反应导致的，每年5月至9月的暖季经常被认为是臭氧污染季。因此，冷季节的臭氧光化学污染问题很少被关注到。
该研究发现了华北地区冷季节也能发生快速的臭氧光化学反应，而且在2013–2019年期间臭氧污染季呈现延长的现象。通过对2020年初疫情期间的高浓度臭氧事件的分析，发现了甲醛光解产生自由基是驱动冷季节臭氧化学生成的主要机制。
图1. 观测和模拟的华北地区2013–2019年臭氧浓度趋势的归因分析（其中观测和模拟的臭氧趋势均扣除了气象因素的影响）。
具体来说，本研究通过对生态环境部2013–2019年期间地面污染物监测数据的系统分析，发现华北地区2013–2019年冷季节的臭氧呈现快速的上升趋势（图1）。特别是，近些年的二月下旬已经可以出现了臭氧的光化学生成现象并伴随着高的MDA8（日最大8小时平均）臭氧浓度（70 ppb）；在三月份，华北地区2017–2019年间已经平均每年有2天发生臭氧超标。也就是说，华北地区臭氧的污染季正在延长。此外，研究还发现冷季节PM2.5和臭氧的相关系数从之前的负相关也在近几年转变为显著的正相关，表明灰霾污染时也伴随着高的臭氧浓度。利用大气化学数值模型的模拟结果表明，2013–2019年人为源NOx排放下降（约30%）且VOCs排放保持较高水平是造成冷季节臭氧快速增加的主导因素（图1）。鉴于2020年初疫情期间的NOx排放快速下降且VOCs排放仍然较高的特征与过去几年的历史排放变化类似，因此疫情减排期间的臭氧浓度突增现象提供了对冷季节臭氧光化学过程认识的良机。
图2.（上图）观测和模拟的2020年1–2月疫情前（1月1–23日）和疫情期间（1月24日到2月15日）北京地区MDA8（日最大8小时平均）臭氧浓度的变化；（下图）数值模拟的疫情前和疫情期间北京地区自由基（HOx）来源的变化。
根据2020年1–2月的监测数据，华北地区平均的最大MDA8臭氧浓度从疫情前的41±5 ppb 上升到疫情期间的59±5 ppb（图2），其中个别城市臭氧浓度接近70 ppb。而且，疫情期间的高臭氧浓度也都发生在灰霾污染事件时；例如北京地区PM2.5和臭氧的相关系数从疫情前的–0.53突变为疫情期间的0.52。通过排除气象和NOx降低对臭氧的滴定效应等因素，研究发现疫情期间的高臭氧浓度主要是通过快速的光化学反应生成的。考虑疫情期间减排的数值模拟表明，疫情污染时决定臭氧光化学生成的自由基主要是由甲醛光解产生的（图2）。该过程通过加速VOCs氧化从而可以生成更多的甲醛，这一自由基的放大过程导致了冬季出现高臭氧的现象。
无论是2013–2019年的减排过程还是疫情期间的排放突降，都证实了华北地区冷季节已经可以发生快速的光化学反应。该研究强调，通过对冷季节VOCs排放的严格控制可以有效避免臭氧污染季的延长，这对于降低公众健康风险、减少冬小麦生长季损害、以及治理PM2.5污染是共赢的。
Harvard-NUIST空气质量和气候联合实验室成立于2017年，两校在人才培养和科学研究方面开展实质性合作，已取得突出的合作成效。实验室已经在PNAS、Nature Geoscience、Nature Comminucations等高水平期刊发表多篇重要研究成果，为进一步厘清我国大气复合污染成因及其应对策略做出了重要贡献。本研究也得到基金委创新研究群体项目（42021004）和重大研究计划集成项目（91744311）的资助。
论文链接：https://ssl123e1d96d678f7424e5dd356148f1274dae.vpn.nuist.edu.cn/content/118/10/e2015797118
哈佛大学新闻报道：https://ssl123ad5e5fe8fa7844cbea939ce0f7cfcb38.vpn.nuist.edu.cn/gazette/story/2021/03/covid-19-lockdown-highlights-ozone-chemistry-in-china/
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