南京大学黄昕教授、李蒙蒙副教授在Science Bulletin 2024年第18期发表研究论文“Coping with the concurrent heatwaves and ozone extremes in China under a warming climate”，揭示了中国地区“热浪-臭氧”复合事件中人为活动、植被和气候系统之间复杂的相互作用，并提出了人为源排放控制对臭氧-高温敏感性的影响。
加速的全球城市化和密集的人为活动导致了前所未有的气候和环境危机，尤其高温和臭氧污染的共发生对人类生存和生态构成严重威胁，甚至抵消了人为源排放控制对大气污染的改善。当前，对“热浪-臭氧”复合事件的形成过程仍然缺乏综合的理解，这也限制了对此类事件的缓解和科学控制。基于外场观测和气候-化学耦合模拟，研究人员系统分析了“热浪-臭氧”复合事件中人为活动、植被和气候系统之间复杂的相互作用。
研究发现，近年来中国地区高温热浪事件频繁发生，无论是频率或者强度都呈现不断增长的趋势（图1a）。同时，高温热浪的发生加剧了区域臭氧污染，导致全国平均臭氧浓度水平和超标率增加超过30%，“热浪-臭氧”复合事件的发生尤其集中在长江中下游、川渝等城市群地区（图1b）。
图1 （a）中国地区热浪频率和强度的增长趋势以及臭氧浓度对比；（b）观测2013~2022年夏季“热浪-臭氧”复合事件的分布
进一步地，研究人员利用外场观测、卫星遥感和数值模拟，分析了热浪期间人为源和天然源排放对高温的响应。分析发现，持续高温导致热浪期间植被天然源排放几乎加倍，同时外场观测大气挥发性有机物（VOC）浓度和卫星遥感观测甲醛柱浓度也发现高温期间的明显增长。此外，结合中国东部主要城市的电厂氮氧化物（NOx）排放的统计资料以及卫星遥感数据，分析发现高温下城市能源需求的增加可能带来电厂NOx排放增长~30%（图2）。
图2 高温热浪导致的中国人为源和天然源排放的变化
基于区域气候-化学耦合模型和过程诊断分析，研究人员探讨了2013和2022年两次持续性“热浪-臭氧”复合事件中主要大气物理和化学过程的交互作用（图3）。结果发现，高温导致的光化学反应速率增强，以及人为和天然排放增加是促进热浪期间臭氧化学生成的重要因素。另外，高温-干旱胁迫下抑制的植被气孔沉降清除也是导致热浪期间臭氧异常高值的重要过程，以上过程共同导致热浪期间臭氧污染的加剧。
图3 区域气候-化学耦合模型模拟2013和2022年“热浪-臭氧”复合事件中（a, b）中国东部地区臭氧化学生成的增强以及（c, d）不同理化过程对臭氧生成的贡献
最后，研究人员利用大气化学箱模型计算了臭氧-温度的敏感性与人为源排放之间的关系（图4）。模拟表明，臭氧-温度的敏感性受到人为源排放的显著影响，尤其臭氧-NOx-温度之间的关系呈现很强的非线性，只有大幅度减少NOx排放才能有效抵制高温下臭氧的增长。近年来，清洁空气行动以来大气污染排放的控制可能改变城市地区臭氧-高温的敏感性，而CMIP6预测未来高能耗、高排放的发展情景可能加剧“热浪-臭氧”复合事件。
图4 基于大气化学箱模型计算臭氧-NOx-温度的关系