城市、郊区和农村地区臭氧生成的差异：以华北平原一个典型工业城市为例的研究

《Environmental Pollution》：Differences in ozone formation among urban, suburban, and rural areas: A case study in a typical industrial city in the North China plain

臭氧污染形成机制及减排策略研究——基于淄博城乡区域观测分析，采用观察模型揭示不同区域（城市、郊区、农村）臭氧前体物（VOCs/NOx）时空分布特征及O3生成敏感性，发现城市区域VOCs/NOx浓度最高但自由基循环效率低，郊区VOCs活性低且NOx混合比低，农村区域因O3传输导致浓度最高。通过多情景模拟提出VOCs减排30%+NOx精准调控的协同策略。

　　

上海大学环境与化学工程学院，中国上海 200444

摘要

近年来，地表臭氧（O₃）污染在中国日益严重。然而，关于不同地区O₃形成机制的研究仍然有限。明确城市、郊区和农村地区O₃的形成机制对于制定有效的控制策略至关重要。本研究于2021年8月在华北平原典型的工业城市淄博进行了全面的实地观测，选取了三个代表性地点：城市地区（Fangzhen, FZ）、郊区（Tianzhen, TZ）和农村地区（Chengdong, CD）。采用基于观测的模型分析了这三个地点的O₃及其前体的形成过程、自由基预算、自由基链长度、O₃形成敏感性以及协同减排策略。结果表明，城市-FZ地区的氮氧化物（NO_x）和挥发性有机化合物（VOCs）浓度最高，这促进了强烈的自由基循环，从而加速了O₃的生成。相比之下，郊区-TZ地区的自由基循环效率最低，这归因于VOCs的较低反应性、较低的NO_x混合比例以及不利的光化学条件。尽管前体浓度最低，农村-CD地区的O₃浓度却最高，这可能是由于O₃的传输过程所致。此外，对OH链长度的分析表明，在污染环境中O₃的生成更为高效。敏感性分析显示，所有三个地点的O₃形成都受到VOCs的限制。根据协同减排方案的模拟，要达到O₃减排目标，CD和FZ地区的VOCs需分别减少至少30%，NO_x需分别减少0–14%和>6%。在TZ地区，VOCs和NO_x的最小减排比例应为10%和0–7%。这些发现加深了我们对O₃形成机制的理解，并为城市规模的O₃预防和控制措施提供了科学依据。

引言

对流层臭氧（O₃）是在阳光作用下由挥发性有机化合物（VOCs）和氮氧化物（NO_x）混合体通过光化学反应产生的（Liu等人，2022a；Lu等人，2018）。由于其对人类健康、植被和气候变化的负面影响，控制O₃污染已成为一个严重的全球性问题（Li等人，2019a；Wang等人，2022a）。然而，减轻O₃浓度的挑战在于O₃与其前体（如VOCs和NO_x）之间的非线性关系（Nelson等人，2024）。大量研究表明，O₃的形成机制可以从VOCs限制模式转变为过渡模式（同时减少VOCs和NO_x可以降低O₃），或者随着NO_x/VOC比例的降低而转变为NO_x限制模式（Cleveland等人，1974；Liu和Shi，2021；Wang等人，2022b）。例如，在城市地区，由于车辆排放的NO_x较高，O₃的形成对VOCs更为敏感（Mazzuca等人，2016；Wang等人，2017）。相应地，在2019年冠状病毒疾病封锁期间，许多城市的O₃浓度显著增加，这表明相对于减少VOCs，减少NO_x会带来更大的O₃减排效果（Wang等人，2020；Wang等人，2021）。相反，在农村地区，由于生物源VOCs的排放较高，O₃的形成主要受NO_x限制（Ma等人，2016；Tan等人，2018a；Li等人，2021a）。因此，深入理解O₃的形成机制对于制定有效的减排策略至关重要。

O₃污染已成为中国面临的一个严重问题，近年来O₃浓度持续上升，逐渐成为主要的环境空气污染物（Li等人，2019a；Mao等人，2024）。根据《2023年中国生态与环境公报》（MEE，2024），O₃占中国所有污染天的40.1%。华北平原（NCP）是中国经济产出、工业活动和人口最密集的地区之一，长期以来一直受到O₃污染的困扰（Cao等人，2022）。先前的研究表明，2013年至2022年暖季（4月至9月），NCP地区的O₃浓度每年增长1.2 ± 1.3 ppbv。在NCP的城市中，淄博因其众多的工业企业和完善的城市体系而备受关注。根据2021年的人为排放清单，VOCs和NO_x的总排放量分别为约43 kt/年和47 kt/年（Pan等人，2025）。因此，近年来淄博经历了严重的O₃污染，2015年至2019年间O₃浓度每年增长2.85 ppbv（Li等人，2021b）。所有这些信息表明，减轻O₃污染已成为中国长期改善空气质量的首要任务和挑战。鉴于淄博位于NCP的地理中心且拥有完善的城市体系，研究其典型的O₃污染过程可以为全国类似工业城市制定有效的预防和控制策略提供宝贵见解和支持。

基于观测的模型（OBM）是研究O₃形成机制的先进方法之一。中国各地已开展了一系列使用OBM的综合研究，涵盖了O₃-NO_x-VOC敏感性、大气氧化能力、VOCs的光化学损失、原位O₃生成、自由基化学以及区域传输等多个方面（Fan等人，2021；Liu等人，2022a；Ma等人，2022；Song等人，2022；Wang等人，2022a；Lu等人，2023；Guo等人，2024）。例如，Liu等人（2022a）利用OBM揭示了厦门的O₃污染事件是由局部光化学生成和区域传输共同引起的。Wang等人（2022a）使用OBM展示了不同污染水平下的O₃形成敏感性。然而，大多数先前的研究依赖于单一站点的观测，可能无法捕捉城市尺度上O₃形成机制的空间差异。

总之，在淄博进行多站点同时观测有助于明确O₃与其前体之间的复杂关系，并加深对O₃形成机制在时间和空间尺度上的理解。本研究旨在：（1）比较三个地点的O₃及其前体的污染特征；（2）区分原位生成、区域传输和沉降对O₃的贡献；（3）展示O₃的预算和自由基化学；（4）揭示O₃的形成敏感性；（5）模拟多种情景以确定可行的减排比例。研究结果有望为当地政府制定O₃控制策略提供有价值的信息。

采样地点和现场测量

淄博位于山东省中部，面积为5965平方公里，人口约470万。由于地理布局狭长，该市分为三个区域：北部郊区拥有多个原油泵送设施；中部城区受人为活动影响较大；南部农村地区地形较为崎岖。在三个地点同时进行了现场观测。

观测概述

观测期间，平均温度（T）、相对湿度（RH）和太阳辐射强度（SSR）分别为25.5 ± 2.4°C、78.7 ± 12.6%和161.5 ± 214.8 W/m²（图1），表明天气炎热潮湿。在三个地点中，有19天（农村-CD）、16天（城市-FZ）和8天（郊区-TZ）的日平均8小时O₃浓度（MDA8–O₃）超过160 μg/m³（约75 ppbv，即中国国家环境空气质量标准（NAAQS）规定的阈值），反映出严重的O₃污染。

结论

本研究全面分析了典型O₃污染事件期间，一个代表性工业城市（淄博）三个功能区的O₃形成机制。城市-FZ地区的VOCs和NO_x浓度最高，加速了RO_x循环和OH的反应性；因此，VOCs减排策略应重点关注移动源排放以及汽油和溶剂的蒸发。在郊区-TZ地区，O₃浓度最低，这是由于...

CRediT作者贡献声明

Peng Liu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，软件使用，方法论，数据分析。 Kun Zhang：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，软件使用，资源提供，方法论，调查，资金获取，概念化。 Jin Xue：数据可视化，调查，数据管理。 Jingwen Dai：验证，软件使用，方法论。 Yangjun Wang：监督，资源提供，方法论，概念化。 Ling Huang：监督，资源提供。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了Jing-Jin-Ji区域综合环境改善-国家重点科技项目（项目编号2025ZD1202004、2025ZD1202005）、四川省成都平原城市气象与环境观测研究站支持的CPUME202404项目、生态环境部城市空气颗粒物污染防治重点实验室开放资金（NKPMF202402）以及国家自然科学基金的支持。