中国各地夜间臭氧超过 80 μg/m3 的频率增加及其影响因素（2015-2019 年夏季）

《Atmospheric Environment》：Increasing Frequency of Nocturnal Ozone Exceeding 80 μg/m3 Across China and Its Influencing Factors (Summer 2015-2019)

　　

摘要

近年来，中国臭氧（O3）浓度的长期增长趋势日益受到关注，尤其是在2014-2019年这一疫情前时期，PM2.5浓度显著降低。然而，相对较高的夜间臭氧值（HNOV）的变化趋势及其在年际时间尺度和全国尺度上的影响因素仍不清楚。本文利用地理探测器模型，对2015–2019年夏季的5年野外观测数据集进行了分析。本研究旨在探讨夜间臭氧浓度超过80 μg/m3频率（FNO80）的时空格局和影响因素机制，该指标用于表征HNOV。研究发现，2015–2019年夏季全国FNO80呈显著上升趋势，从2015年的18 ± 15%上升至2019年的25 ± 18%，高FNO80站点广泛分布于中国北方地区（如北方沿海地区和黄河中游地区）。地理探测器分析表明，白昼臭氧污染加剧是FNO80全国长期上升趋势的关键影响因素（贡献率为39%），而降水和相对湿度的贡献率分别为20%和19%，在缓解高夜间臭氧浓度方面发挥主要作用。对五个超大城市（北京、西安、广州、上海和成都）的分析显示，5年平均FNO80在北京城区最高（36 ± 6%），在广州城区最低（4 ± 2%）。各城市的FNO80城乡差异（Δ郊区-城区FNO80）各不相同，白昼臭氧仍是最具相关性的影响因素。值得注意的是，西安FNO80增长迅速且城乡差异显著，这与白昼臭氧污染加剧和城乡白昼臭氧浓度差较大有关。在这些超大城市中，夜间PM2.5和NO2浓度也对FNO80产生重要影响。本研究在PM2.5污染显著改善的背景下，量化了多因素对中国夜间臭氧的影响，为制定减轻臭氧污染的政策提供了支持。

引言

近年来，平流层夜间臭氧因其在全球范围内的增长趋势以及对人类健康、植物生长和大气氧化性的不利影响而日益受到关注（Evgenios Agathokleous, 2023; Nelson and Drysdale, 2025; Sicard et al., 2016; Wang et al., 2023a; Yan et al., 2018）。从2000年到2019年，欧洲城市站点的白昼和夜间平均O3浓度均呈稳定的年际上升趋势，而美国的夜间平均O3浓度尽管白昼平均O3浓度下降（尤其是在暖季），仍呈年增长趋势（Nelson and Drysdale, 2025）。在中国，随着2020年之前PM2.5浓度的快速下降及其之后的轻微波动，全国O3浓度呈增长态势，部分城市的夜间增长率高于白昼增长率，特别是在COVID-19中断之前，这一现象一直备受关注（Geng et al., 2024; He et al., 2022; Li et al., 2020; Li et al., 2023; Li et al., 2026; Lu et al., 2018; Lu et al., 2020; Wang et al., 2022a; Wang et al., 2022b; Wang et al., 2020b; Yang et al., 2020; Yin et al., 2025; Zhao et al., 2020; Zheng et al., 2024; Zhou et al., 2026）。国内对平均O3浓度的长期趋势进行了大量研究，但关于相对较高的夜间臭氧值的研究仍十分有限，且主要集中在夜间臭氧增强（NOE，定义为1小时内臭氧浓度增加5 ppbv或以上）事件上。尽管2012至2019年珠江三角洲（PRD）地区NOE天数呈轻微下降趋势（Wu et al., 2023），但2014至2019年中国全国平均NOE频率比欧洲或美国高出46%（He et al., 2022）。中国不同地区的NOE频率从15%到超过50%不等，对应的最大夜间臭氧浓度从数十ppbv到110 ppbv不等，暖季的夜间臭氧污染更为严重（An et al., 2024; Zhu et al., 2024）。

驱动全国和区域尺度平均O3浓度年际变化的突出因素包括与O3生成和沉降相关的气候条件、NOx和VOCs排放，以及臭氧及其前体物的传输（Lu et al., 2019; Nelson and Drysdale, 2025; Sicard et al., 2016; Yan et al., 2018; Zhang et al., 2023c）。气候变率削弱了人为排放减少带来的臭氧改善效果，实际上也削弱了O3峰值，此外，NOx排放的减少促进了美国和欧洲夜间O3浓度的上升趋势，因为NO滴定作用减弱（Nelson and Drysdale, 2025; Sicard et al., 2016; Yan et al., 2018）。气象条件（即温度、气压、太阳辐射、相对湿度和降水）和污染因子（即PM2.5、NO2、CO和VOCs）已被定性定量地明确为影响中国年际时间尺度O3变化的主导因素（Chen et al., 2022a; Gong et al., 2025; Han et al., 2020; Li et al., 2023; Liu et al., 2020; Liu et al., 2023; Wang et al., 2023b; Wang et al., 2020a; Xia et al., 2021; Zhang et al., 2021）。少数专门针对中国夜间平均臭氧浓度年际上升趋势原因的研究揭示了NO2浓度降低和湿沉降的主要作用（Li et al., 2023）。驱动NOE的主要因素包括高O3浓度空气从污染区域水平传输，以及由对流风暴、低空急流和中等尺度风系统等天气过程引发的湍流增强和垂直混合，这些过程改变了夜间边界层结构（Gerken et al., 2016; Hao et al., 2024; He et al., 2022; He et al., 2016; He et al., 2021; Hu et al., 2013; Li et al., 2024; Pan et al., 2024; Reitebuch et al., 2000; Sousa et al., 2011; Wang et al., 2025; Wu et al., 2023; Zhang et al., 2023b; Zhu et al., 2024; Zhu et al., 2020）。此外，白昼臭氧可以保留在残留在存层中，通过夜间垂直混合影响地表的NOE频率（He et al., 2022; He et al., 2023; Wu et al., 2023; Xue et al., 2024; Zhu et al., 2024）。低空急流解释了珠江三角洲地区61%的NOE事件，且其空间分布比白昼臭氧浓度与NOE事件更具一致性（He et al., 2022）。需要更多定量评估白昼臭氧对相对较高的夜间臭氧值的影响，以全面了解中国夜间臭氧的变化。

夜间O3浓度升高意味着人类夜间暴露增加，这可能加剧心血管和呼吸系统疾病的威胁（Gao et al., 2023; Guo et al., 2022; Huangfu and Atkinson, 2020; Lu and Yao, 2023; Niu et al., 2020; Nuvolone et al., 2017; Sun et al., 2024）。O3污染暴露增加已导致中国过早死亡人数显著增长（2000至2021年每年953例）（Yang et al., 2025）。某些植物具有夜间气孔导度，这可能导致夜间O3通量进入植物体内，而夜间植物防御能力降低使其对臭氧的敏感度高于白昼（Musselman and Minnick, 2000）。暴露于相同O3通量时，夜间植物生物量损失高于白昼（Goumenaki et al., 2021）。此外，中国夜间O3升高通过NO2反应和N2O5非均相反应，强烈增强了夜间硝酸根自由基和硝酸盐颗粒的生成，影响了次日的大气化学过程（Duan et al., 2020; Fan et al., 2019; Lin et al., 2025; Liu et al., 2025; Wang et al., 2023a; Xia et al., 2021）。当前评估O3对人类健康和植物损害影响的指标主要基于白昼臭氧浓度，如SOMO35（日均最大8小时平均臭氧超过35 ppb的总和）和AOT40（植物生长季白天小时平均臭氧超过40 ppb的总和）（Lefohn et al., 2018; Mills et al., 2018）。据报道，2014至2019年中国全国平均夜间最大小时臭氧浓度为4月至9月37 ppb，其他月份31 ppb（He et al., 2022）。这意味着考虑到潜在的人类和植物暴露风险，应更加关注相对较高的夜间臭氧值。

以往关于中国夜间O3的研究大多基于夜间O3增强案例研究，缺乏在全国尺度上对长期相对较高的夜间臭氧值的综合分析和研究。本研究将重点关注中国全国尺度上夜间O3超过80 μg/m3频率（FNO80）的长期变化及其影响因素，这可以为空气污染控制或减排措施提供更科学的支撑。我们基于中国环境监测总站（CNEMC）的五年（2015-2019）小时级O3观测数据集，分析了夏季FNO80的总体特征、时空变化及其幅度。此外，利用地理探测器模型进一步量化了特定人为污染物（即白昼O3、夜间PM2.5、NO2、SO2和CO）和气象变量（即夜间温度、相对湿度、风速、地表气压、行星边界层和夜间累积降水）对中国全国及五个超大城市的FNO80的相对贡献。最后，研究了不同城市FNO80城乡差异（Δ郊区-城区FNO80）的变化。本研究提供了对中国相对较高的夜间臭氧值（>80 μg/m3）及影响因素的定量分析，拓展了白昼臭氧浓度对HNOV贡献的认识。

数据集与研究区域

全国地面O3、PM2.5、NO2、SO2和CO数据来自中国环境监测总站，CNEMC（https://data.mendeley.com/datasets/75hrxbxbmm/1），该中心发布不同空气污染物的小时级浓度数据。除数据严重缺失的站点外，本研究纳入了366个城市的1313个站点。站点根据经济发展、气候和地形分为十个区域（Li et al., 2019）（图S1）。分析重点聚焦于中国夏季FNO80的总体特征。

中国夏季FNO80的总体特征

2015至2019年夏季（6月至8月）中国FNO80的时空变化如图1所示。全国范围内，夜间O3超过80 μg/m3的频率呈显著上升趋势，从2015年的18 ± 15%上升至2019年的25 ± 18%（图2a），年平均值为23 ± 4%，这与同期夜间平均O3浓度的上升趋势一致（Li et al., 2023），但与基于AOT40报告的下降趋势相反。

结论与展望

本研究基于中国全国监测网络366个城市的1313个站点五年（2015-2019）观测数据，报告了中国夏季夜间O3超过80 μg/m3频率的增加趋势，年平均值为23 ± 4%，表明夜间O3污染加剧，尤其在中国北方地区。本研究利用地理探测器模型和统计分析研究了全国范围及五个超大城市的潜在机制。

作者贡献声明

Jieyao Liu：调查、正式分析、概念化。Guiquan Liu：正式分析、数据管理。Fang Zhang：撰写-审阅与编辑、监督、资金获取、概念化。Xue Li：撰写-原稿、调查、正式分析。Hui Yun：撰写-原稿、调查、正式分析。

任静烨：写作——审阅与编辑、调查研究、形式分析
未引用参考文献
Evgenios Agathokleous and Pierre, 2023；Wang et al., 2012。
数据可用性声明
污染物数据来自国家环境监测中心（CNEMC）（https://data.mendeley.com/datasets/75hrxbxbmm/1），气象数据来自ERA5再分析数据（https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/reanalysis-era5-single-levels?tab=form）。
利益冲突声明
? 作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究由中国国家自然科学基金（NSFC）研究项目（批准号：42475112）资助，深圳市科技计划项目（批准号：KCXST20221021111404011；GXWD20220818172959001；SYSPG20241211173609007），广东省自然科学基金（批准号：2024A1515011005）。作者声明不存在竞争性经济利益，感谢所有参与者的辛勤工作和合作。
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