欧洲春季至夏季地表臭氧极端事件时空分布与驱动机制的多区域对比研究

本研究针对欧洲2003–2022年间春季至夏季（4–9月）百个最大地表臭氧（O3）极端事件，利用半拉格朗日算法识别大尺度臭氧事件，结合大气阻塞和副热带脊识别方法，揭示了BRIT（不列颠群岛）、EEU（东欧）和CEU（中欧）三个关键区域臭氧事件形成的差异化气象驱动机制和前体物排放作用，为区域空气质量评估和臭氧污染防控提供科学依据。

　　

随着工业化和城市化进程的加速，地表臭氧（O₃）污染已成为全球性的环境问题。作为一种二次污染物，臭氧是由氮氧化物（NO_x = NO₂ + NO）、非甲烷挥发性有机化合物（NMVOCs）、一氧化碳（CO）和甲烷（CH₄）等前体物在阳光作用下通过复杂的光化学反应形成的。高浓度的地表臭氧不仅对人体健康构成严重威胁，会增加死亡风险并加剧呼吸系统和心血管疾病，还会对植被造成负面影响，导致农作物减产和森林生产力下降。尽管已有研究探讨了北半球中纬度地区春夏季近地表臭氧水平与气象条件的关系，但臭氧事件的发生机制在不同区域之间存在显著差异，且大尺度臭氧事件的驱动因素尚未得到系统性的研究。

为了深入理解欧洲主要臭氧事件的时空分布和驱动机制，由Tahimy Fuentes-Alvarez、Carlos Ordó?ez、Ricardo García-Herrera、David Barriopedro、Rodrigo Crespo-Miguel和Miguel M. Lima组成的研究团队，利用Copernicus Atmosphere Monitoring Service（CAMS）全球再分析数据，识别了2003–2022年4–9月期间欧洲100个最大的地表臭氧事件，并分析了这些事件在三个关键区域——春季（4–5月）的不列颠群岛（BRIT）和东欧（EEU），以及夏季（6–9月）的中欧（CEU）——的气象驱动因素和前体物作用。该研究近期发表在《Science of The Total Environment》上。

研究采用了多种关键技术方法，主要包括：1）基于CAMS全球再分析（EAC4）数据集，使用半拉格朗日算法识别和追踪大尺度臭氧事件；2）应用由Sousa等人提出的大气阻塞和副热带脊识别算法，分析高压系统的类型和特征；3）利用ERA-5再分析数据获取气象场（如500 hPa位势高度、2米温度、海平面气压等）；4）通过自举重采样方法（bootstrap resampling）评估气象异常的统计显著性；5）构建环流指数I(Z500)^R来量化每日位势高度异常与臭氧事件期间典型异常模式的相似性。此外，研究还使用了CAMS全球排放清单和全球火同化系统（GFAS）的野火排放数据，以评估前体物排放和生物质燃烧的影响。

4. Ozone episodes in April–May

研究发现在4–5月期间，BRIT和EEU区域的臭氧事件呈现出截然不同的气象驱动机制。在BRIT区域，38个臭氧事件日中，约四分之一与位于区域北部的Rex阻塞高压相关，这些事件伴随着异常强的东风，通过通风作用降低NO_x浓度并减少臭氧的NO滴定，从而提升臭氧水平；其余四分之三的事件则没有统一的高压系统影响，其臭氧升高可能与多变的动力条件有关。相比之下，EEU区域的28个臭氧事件日则与显著的反气旋条件相关，表现为正位势高度和温度异常、降水减少和空气团再循环。然而，仅靠这种气象模式并不足以触发臭氧事件，较高的前体物浓度（尤其是与野火活动相关的CO、NO_x和NMVOCs）也是关键因素。

5. Ozone episodes in June–September

在6–9月期间，CEU区域的臭氧事件表现出明显的南北差异。北部子区域（NCEU）的60个事件日中，60%与阻塞高压或副热带脊相关，这些系统带来正位势高度和温度异常、弱风和降水赤字，有利于臭氧积累。其中阻塞高压的影响最为显著，导致局部臭氧超出95th百分位值达19 ppb。南部子区域（SCEU）的29个事件日则主要受到副热带带内较弱气象强迫的影响，但500 hPa下沉运动（subsidence）的增强是驱动该区域臭氧事件的关键机制。尽管气象异常较弱，SCEU的臭氧浓度仍为全欧洲最高，这与持续的下沉运动促进臭氧形成和从上至下的输送有关。

研究结论表明，欧洲大型臭氧事件的发生是由区域特异性的气象条件和前体物可用性共同驱动的。在EEU，臭氧事件需要反气旋条件与高水平前体物（尤其是野火排放）的结合；在BRIT，东风通风和多变动力过程是主要驱动因素；而在CEU，北部依赖阻塞高压和脊系统，南部则主要由下沉运动控制。这些发现强调了未来空气质量评估中需考虑区域差异，以及气象波动与排放控制对臭氧事件年际变率的共同影响。该研究为理解欧洲臭氧污染的形成机制提供了全面框架，对区域空气质量管理政策的制定和未来气候情景下的臭氧变化预测具有重要指导意义。