成果简介：

纽约与北京作为中美最具代表性的两个超级城市，受人为源排放大气污染影响较大，在过去的几十年内得到了广泛的关注和研究。自1990年以来，纽约市实行了严格的排放控制政策，而北京市的减排政策起始于2013年。两地的减排政策都导致了明显的细颗粒物（PM_2.5）质量浓度下降，但两地的夏季臭氧的变化趋势呈现不同的趋势：纽约市夏季臭氧呈现相对于PM_2.5的缓慢下降趋势而北京市臭氧（O₃）并没有明显的下降。对比两者污染物污染变化的异同以及研究其原因，对于我国大气PM_2.5与O₃协同减排具有重要的科学指导意义。

近期环科院汪俊峰博士与纽约州立大学阿尔巴尼分校大气科学中心张杰博士，以及中科院大气所孙业乐研究员、加州大学戴维斯分校张琦教授、浙江大学李卫军教授等其他合作者，在Nature旗下期刊npj Climate and Atmospheric Science发表了题为“Insights from ozone and particulate matter pollution control in New York City applied to Beijing”的研究论文。研究分析了纽约过去30年以及北京过去10年的地面O₃与PM_2.5化学组成等观测数据，阐明了两地夏季O₃与PM_2.5浓度间的非线性关系随着减排政策的改变的内在原因。同时结合模型模拟，给出了北京及中国其他主要城市的下一步大气污染物减排建议。

该研究利用非线性拟合，揭示了O₃与PM_2.5关系中蕴含的不同的机制，其中包括了两者因为共享部分前体物以及受到外界条件影响而导致的线性正相关，以及PM_2.5对于O₃浓度的抑制作用。随着两城市减排政策的实施，O₃与PM_2.5的正相关斜率持续增加（图1和2），表明了PM_2.5相对于O₃具有更好的控制效果。结合气溶胶质谱仪（AMS）的气溶胶化学组分的历史观测数据，研究进一步表明PM_2.5的控制集中在与O₃非相关的组分，比如一次气溶胶及硫酸盐等。在剔除非相关组分后，各个时期O₃与PM_2.5的关系趋于一致。由于PM_2.5非相关组分直接受到两地减排政策的影响（都更集中SO₂以及一次PM_2.5的控制（图1和2），此研究再次强调了减排的不均衡对于削减O₃的影响。对比纽约和北京，纽约的正相关斜率远大于北京，符合两地排放的特征--纽约的SO₂以及一次PM_2.5的排放比例小于北京，同时现阶段的北京斜率（O₃-PM_2.5）正逐渐接近2000年左右的纽约市。

图1，纽约市臭氧与PM_2.5以及其他相关组分（纽约时间段1（SP_NY1）: 2001-2003；时间段2（SP_NY2）：2004-2008；时间段3（SP_NY3）：2009-2013；时间段4（SP_NY4）：2014-2019）

与纽约市相比，北京O₃-PM_2.5的关系曲线存在明显的拐点（图2），在2014-2016阶段最为明显。在2014-2016阶段，对于PM_2.5浓度高于拐点的区域，随着PM_2.5浓度的减低，O₃的浓度会显著增加，而对于PM_2.5浓度低于拐点的区域，随着PM_2.5浓度的降低臭氧浓度呈现先慢后快的减少。在现2017-2019阶段，北京市PM_2.5最大值已经位于拐点附件，随着PM_2.5浓度的降低，O₃浓度预期同样出现先慢后快的减少。但是此种PM_2.5浓度降低应该保持PM_2.5的化学组分相对一致，而现阶段的减排特征并不能维持。本研究结合CMAQ模型模拟进一步得到在等比例减排的情景下，可以维持O₃与PM_2.5的变化沿着现阶段两者的趋势。模拟进一步表明要使北京市PM_2.5浓度得到2000年纽约市的水准需要等比例减排大约42%，使O₃最大值低于国家标准需要等比例减排大约53%，而要北京市PM_2.5浓度达到2019年纽约市的水准需要等比例减排大约70%。

图2，北京市以及华北平原城市群臭氧与PM_2.5以及其他相关组分 （SP_BJ1 时间段: 2014-2016, SP_BJ2时间段: 2017-2019

长三角以及珠三角的城市群O₃和PM_2.5的变化趋势与北京相似 （图3），不同的是在现2017-2019阶段，长三角与珠三角的PM_2.5最大值都处于拐点一下，珠三角更为明显。为了得到上述三个目标，长三角的等比例减排比例分别为28%, 32% and 59%, 而珠三角现阶段PM_2.5浓度已经低于2000年纽约市，要实现其他两个目标，减排比例分别为14%和69%。

图3，长三角以及珠三角城市群臭氧与PM_2.5以及其他相关组分 （SP1 时间段: 2014-2016, SP2时间段: 2017-2019；YRD：长三角；PRD：珠三角）

文章最后讨论了PM_2.5抑制O₃系数与O₃生成敏感区之间的可能的内在关系。随着PM_2.5生成敏感区从VOC-limited向NOx-limited转变，抑制系数逐渐增加，结合纽约市以及上述中国各城市，大致可以推断抑制系数-0.02（2014-2016阶段的华北平原与长三角城市群）对应着强VOC-limited， 0.06-0.10（2017-2019阶段的华北平原，长三角，珠三角城市群以及2000-2013的纽约市）对应弱VOC-limited或者过渡阶段，而0.23（2014-2019的纽约市）对应过渡阶段或者弱NOx-limited。更加详细的机理研究将会后续展开。同时结合纽约VOCs以及NOx不同源的减排（从2000到2017，VOCs 减排65%，NOx减排66%），以及现阶段中国城市群污染程度接近2000年的纽约，作者给出了中国城市群在未来VOCs以及NOx减排可能关注的重点源-NOx为汽车尾气，溶剂利用、燃料燃烧而VOCs为车辆排放、能源生产燃烧源、工业过程等。

文章link：https://www.nature.com/articles/s41612-022-00309-8

汪俊峰博士个人主页：https://faculty.nuist.edu.cn/wangjunfengnuist/zh_CN/index.htm