基于GEMS的中国东南部臭氧生成敏感性日变化研究：网格化阈值与机器学习的启示

《Environmental Pollution》：Diurnal variations of ozone formation sensitivity in southeastern China based on GEMS: Insights from gridded thresholds and machine learning

　　摘要：对流层臭氧的形成往往受到氮氧化物、挥发性有机化合物或二者共同作用的限制，因此需要深入了解其时空敏感性，才能有效控制臭氧污染。本研究利用每小时一次的地球静止环境监测光谱仪数据，分析了2024年暖季中国东南部福建省臭氧形成敏感性的日变化规律。GEMS观测结果显示，臭氧前体物质的分布存在显著的昼夜和空间差异。通过结合GEOS成分预报模型，确定了以0.25°为分辨率的HCHO/NO2阈值，用于划分不同的臭氧形成模式。在清晨至下午期间，受氮氧化物限制的阈值显著下降，且沿海地区的该阈值高于内陆地区。通过极端梯度提升算法及Shapley加性解释方法分析发现，臭氧形成模式在不同尺度上主要受挥发性有机化合物反应性的影响。应用这些网格化阈值后可知，福建省暖季的臭氧生成主要以氮氧化物限制为主，全省范围内这一比例从清晨的约71%上升至下午的92%。内陆地区则全天都处于氮氧化物限制状态，而沿海城市在早晨会出现挥发性有机化合物限制的情况，且这种限制趋势会向城市中心区域延伸，许多城市在光化学活性最强的时段仍保持挥发性有机化合物限制状态。因此，在高排放的沿海城市中，仅控制氮氧化物可能效果不佳甚至适得其反，应优先减少挥发性有机化合物的排放。相比之下，内陆地区则仍需将控制氮氧化物作为重要任务。本研究体现了GEMS在解析臭氧前体物质日变化方面的独特优势，表明针对不同区域特点采取差异化的控制策略对于有效减轻臭氧污染至关重要。

引言：地表臭氧不仅会加剧气候变化，还会加重心血管和呼吸系统疾病，同时会对农业产量和生态系统造成严重威胁（Mao等人，2024；Stohl等人，2015；Wang等人，2020）。臭氧相关污染在发达国家和发展中国家普遍存在，是全球大气环境治理面临的重要挑战（Tian等人，2025）。近年来，中国采取了多项减排措施来改善空气质量。尽管自“十三五”规划实施以来，PM2.5浓度已显著下降，但臭氧污染却出现了反常加剧的趋势（Li等人，2021a；Wang等人，2022a）。在许多城市，暖季（晚春到初秋）是臭氧超标的高发期，臭氧已成为最主要的空气污染物（Wang等人，2023b）。一般来说，臭氧没有直接的排放源，它是由挥发性有机化合物和氮氧化物经过光化学反应生成的（Sillman，1999）。根据这些前体物质的相对含量，一个地区的臭氧形成模式可分为氮氧化物限制型、氮氧化物饱和型（也称为挥发性有机化合物限制型）或过渡型（Duncan等人，2010；Jin等人，2020）。这种复杂性使得通过减少前体物质来控制臭氧污染变得十分困难，因为在不同的形成模式下采用不当的治理措施可能会带来负面效果。臭氧形成敏感性存在显著的时空差异。虽然全球范围内对流层臭氧的形成主要以氮氧化物限制为主，但在人类活动导致的氮氧化物排放量较高的城市地区，其臭氧形成模式可能受挥发性有机化合物限制或处于过渡状态（Jin等人，2025）。这类敏感性还会出现明显的年际变化（Chen等人，2024b；Ren等人，2022；Tian等人，2025；Wang等人，2021）。例如，在2013年至2021年间，中国五大主要区域的很大一部分都经历了臭氧形成模式的转变，而且不同地区的转变方向存在显著差异（Wang等人，2023b）。月度和季节性变化比年际变化更为明显，很多地区的臭氧形成敏感性在夏季和冬季之间呈现出完全相反的模式（Chen等人，2024b；Li等人，2021b）。此外，臭氧形成敏感性在昼夜尺度上也存在显著变化。通常情况下，由于清晨时氮氧化物被大量消耗且自由基浓度较低，臭氧生成对挥发性有机化合物较为敏感；而随着午后光化学活性的增强，臭氧生成逐渐转向对氮氧化物更敏感的状态（Cazorla等人，2025；Jin等人，2025）。不过，这种转变的幅度和趋势在不同地理区域之间存在很大差异。正是由于这种多方面的复杂性，才有必要进一步研究特定区域内臭氧形成敏感性的演变过程。为了解决这一需求，以往的大量研究都致力于分析臭氧形成敏感性的日变化规律，所采用的方法包括基于观测的模型、经验动力学建模方法、相对增量反应性指标，或是这些方法的组合（Hu等人，2023；Niu等人，2024；Shen等人，2021；Song等人，2022；Zhang等人，2022）。此外，通过观测地面上的VOCs/NOx比值并设定相应阈值，也能用来研究臭氧敏感性的日变化规律（Liu等人，2026）。还有一些研究运用机器学习方法来识别臭氧敏感性，甚至量化减排措施的作用效果（Mishra等人，2023；Mishra等人，2024）。然而，这些方法主要针对局地的污染事件，且受限于地面监测网络的稀疏分布，缺乏区域代表性。虽然像社区多尺度空气质量模型、带扩展功能的综合空气质量模型以及结合化学过程的天气研究与预报模型这样的空气质量模型，能够模拟更大范围内的日变化规律，但它们的准确性往往会受到排放清单不确定性、行星边界层参数化处理以及简化后的化学机制等因素的影响（Wang等人，2022b）。而利用卫星观测得到的对流层HCHO与NO2垂直柱密度比值，则能够在很大程度上规避这些限制。HCHO/NO2比值已被广泛用于研究区域内的臭氧形成化学过程（Duncan等人，2010；Jin和Holloway，2015；Li等人，2021b；Wang等人，2023b），Tian等人（2025）最近还利用这一比值分析了近三十年来全球臭氧敏感性的变化趋势。过去，全球臭氧监测实验卫星、用于大气图表绘制的扫描成像吸收光谱仪、臭氧监测仪器以及对流层监测仪器等卫星，由于采用太阳同步轨道运行，每天只能提供一次观测数据，无法满足捕捉臭氧敏感性日变化规律的需求。近年来，地球静止轨道上的光谱仪为解决这些问题提供了新的途径。位于亚洲上空的地球静止环境监测光谱仪、覆盖北美的对流层排放物监测卫星，以及覆盖欧洲和北非的欧空局/哥白尼哨兵-4卫星，都能提供多日的高分辨率观测数据。这些技术进步使得人们终于能够对区域臭氧形成敏感性的日变化规律进行高精度研究，尤其是能够揭示在光化学活性较强的时段臭氧敏感性发生变化的机制。Jing等人（2025）利用TEMPO卫星的日观测数据，发现美国那些未达到臭氧质量标准的主要地区，其臭氧形成敏感性在早晨为挥发性有机化合物限制型，到了下午则转为氮氧化物限制型。作为唯一一颗能在亚洲地区同时提供HCHO和NO2观测数据的地球静止卫星，GEMS为该地区臭氧污染的日尺度管理提供了重要的技术支持。深入研究臭氧敏感性的日变化规律，不仅有助于验证和完善臭氧化学机制，还能为制定具有时间差异和地域差异的精准减排策略提供科学依据。

福建省位于中国东南沿海的东亚季风区，境内既有沿海地带也有内陆地区。该省的主要经济中心集中在沿海地区，而内陆则以山区地形和较高的森林覆盖率为主（Zhang等人，2022）。最近的观测数据显示，沿海城市的臭氧超标天数远远多于内陆地区，且大部分超标现象都发生在暖季（Hu等人，2025；Zhang等人，2024）。以往的研究表明，气象因素和当地的光化学作用是该地区臭氧污染形成的主要驱动因素（Chen等人，2024a；Ji等人，2023；Zhang等人，2024）。不过，福建省的氮氧化物和挥发性有机化合物的年总排放量相对较低，处于全国的中下水平。正是由于这种特殊的状况，才更加有必要研究臭氧敏感性在时空维度上的高分辨率日变化规律，以便为精准减排提供技术支持。这样的研究不仅能避免不必要的时间和资金投入，还能为其他本地排放基数相似的地区提供有效的臭氧治理参考。在本研究中，我们利用GEMS的每小时观测数据，分析了2024年暖季中国东南部福建省对流层NO2垂直柱密度、HCHO垂直柱密度以及HCHO/NO2比值的日变化规律。我们通过结合戈达德地球观测系统成分预报模型，以0.25°的分辨率确定了臭氧形成敏感性转变的阈值。此外，我们还运用极端梯度提升算法并结合Shapley加性解释方法，分析了影响这些阈值日变化和区域差异的关键因素。通过将GEMS的观测数据与所确定的敏感性阈值相结合，我们系统地分析了臭氧形成敏感性的日变化规律及其在沿海与内陆之间的差异。本研究充分体现了GEMS在研究中国东南部沿海地区臭氧敏感性日变化方面的独特优势，揭示了暖季臭氧污染的精细化学机制以及其时空差异性。我们的研究结果为制定具有时间和空间差异的前体物质减排策略提供了科学依据。

研究区域：福建省位于台湾海峡西岸，地处中国两大重要经济区——长江三角洲和珠江三角洲之间（图S1）。该省的地形以山脉和丘陵为主，占其陆地总面积的80%以上。2024年，福建省的森林覆盖率为65.12%，已连续46年位居中国首位（福建省生态环境厅，2025）。从行政区划来看：

GEMS观测到的NO2、HCHO及HCHO/NO2的日变化规律：我们利用GEMS的每小时观测数据，分析了福建省境内对流层NO2垂直柱密度、HCHO垂直柱密度以及HCHO/NO2比值的空间和日变化特征。NO2垂直柱密度主要受人为排放因素的影响，因此与人口密度、工业发展水平以及经济发展状况等区域因素存在密切关联（Jin和Holloway，2015；Liu等人，2020）。正因如此，福建省城市地区的NO2垂直柱密度高于郊区和农村地区，且沿海地区的这一数值也更高。

结论：本研究利用GEMS提供的每小时对流层NO2和HCHO垂直柱密度观测数据，分析了2024年暖季中国东南部福建省臭氧形成敏感性的日变化规律。我们采用HCHO/NO2比值作为判断臭氧形成敏感性的指标。为了确定不同的臭氧形成模式转变点，我们通过结合戈达德地球观测系统成分预报模型，制定了0.25°×0.25°分辨率的阈值。总体而言，

CRediT作者贡献说明：曾金锋：研究工作；刘玉超：软件应用、研究工作；杨玉祥：研究工作；游建勇：软件应用、正式分析；胡宝叶：文章撰写与修改、研究指导、资金筹集；徐鸿凯：研究工作；赵毅：研究工作；陈书耀：研究工作；陈乃华：文章初稿撰写、方法研究、研究工作、正式分析、数据整理。

数据可用性：本研究所需的所有数据均为公开数据。GEMS二级产品由韩国环境研究院的环境卫星中心提供（https://nesc.nier.go.kr/en/html/index.do，最后访问时间为2026年1月19日）。GEOS-CF模拟数据可从NASA气候模拟中心获取（https://opendap.nccs.nasa.gov/dods/gmao/geos-cf，最后访问时间为2026年1月19日）。OMI三级产品则由NASA GES DISC机构提供（//disc.gsfc.nasa.gov/ ）。

利益冲突声明：作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢：本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号42305102）、福建省自然科学基金（项目编号2023J05179）、福建省教育厅（项目编号JAT251082）、闽南师范大学校长基金（项目编号KJ2021009）以及福建省大气臭氧污染防控重点实验室开放基金（项目编号FKLAOPP202501）的支持。

作者名单：陈乃华|游建勇|杨玉祥|刘玉超|曾金锋|陈书耀|赵毅|徐鸿凯|胡宝叶
单位：中国福建省漳州市363000，闽南师范大学化学、化学工程与环境学院