中国东部地区频发复合热浪与臭氧污染事件的机制与归因

《Atmospheric Research》：Mechanisms and attribution of frequent compound heatwave and ozone pollution events in eastern China

　　

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  2016年后，中国东部地区复合热浪臭氧污染事件（CHOEs）激增，热浪期间的臭氧超标程度持续升高。
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  研究识别出西太平洋副热带高压和印度洋暖池是驱动CHOEs的主导因素。
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  城市化与排放结构转变共同作用，加剧了热浪期间的臭氧积累。

引言

由于气候变暖，全球范围内极端天气与气候事件的频率和强度显著增加（IPCC, 2021；Qian等，2023；Stott, 2016）。极端热浪和臭氧污染已成为全球主要的环境与气象关注问题（Martinez-Villalobos等，2025；Zhou等，2025）。这两种现象常在夏季同时发生，形成复合热浪与臭氧污染事件（CHOEs）（Li等，2024；Zhong等，2026）。这种复合暴露的影响远超单一极端事件的叠加效应。此类事件会影响公众健康（Ban等，2022；Du等，2024；He等，2025）、农业、生态系统（Emberson等，2018；Yuan等，2025）以及社会经济稳定（Chen等，2024；Gong等，2025a；Su等，2025）。过去十年，中国实施了《大气污染防治行动计划》（2013—2017）和《打赢蓝天保卫战三年行动计划》（2018—2020）。因此，主要污染物（PM_2.5、NO₂和SO₂）浓度显著下降（Gong等，2025a）。然而，臭氧污染却与PM_2.5浓度呈反向增长。这一趋势阻碍了中国空气质量的进一步改善。在此背景下，受气候系统与区域排放的协同作用，中国东部城市发生CHOEs的概率近年来持续上升（Li等，2024）。2022年夏季，长江中下游地区和四川盆地经历了严重的CHOEs。数周的极端高温（峰值达44.6?°C）与高出标准30%的臭氧浓度协同作用，造成了严重损害。这触发了罕见的区域性干旱和电力短缺，对区域发展造成了严重影响（Ma等，2023；Zhang等，2023）。

近地面臭氧由氮氧化物（NO_x）与挥发性有机化合物（VOCs）在阳光作用下发生光化学反应生成。其浓度对前体物排放呈非线性响应。基于NO_x/VOC比值，区域可被划分为VOCs限制区、NO_x限制区或过渡区（Jin和Holloway, 2015；Sillman, 1999）。中国东部，尤其是华北平原（NCP）和长江三角洲（YRD），排放强度大且夏季光化学反应强烈。因此，该区域夏季遭受严重的近地面臭氧污染。这一区域暖季的MDA8臭氧水平远高于欧洲、美国、日本和韩国等可比工业化地区（Lu等，2018）。热浪与臭氧污染的共发源于共同的气象与化学机制。高温、强辐射和大气停滞加速VOCs的氧化并限制扩散。它们还触发植被释放生物源VOCs（BVOCs）。这些动力学与化学过程共同作用，增强了臭氧的积累（Jacob和Winner, 2009；Lin等，2020；Schnell和Prather, 2017）。在此类高压条件下，臭氧污染峰值更高、持续时间更长，超过单一事件（Xiao等，2022b；Zong等，2022）。此外，研究表明，CHOEs发生的概率还取决于城市规模和区域气候。人口超过1000万的特大城市，其年均CHOEs天数是小城市的两倍以上，形成了显著的城市—农村差距（An等，2023）。

目前关于CHOEs机制的研究更侧重于大尺度气候驱动因子的动力调制作用（Zhang等，2024）。触发CHOEs的本地异常天气系统很少孤立存在，它们强烈受大尺度气候强迫的影响，例如海表温度异常和高纬度海冰变化。这些强迫因子常通过遥相关机制跨尺度调节区域性的复合极端事件（Deng等，2020；Wei等，2023；Yang等，2022；Zeng等，2026）。此外，在探讨大尺度气候驱动因子与复合事件之间的联系时，传统的关联分析只能揭示变量如何共同变化，无法在复杂的非线性气候系统内严格判定因果方向。基于经典动力学，Liang–Kleeman信息流方法为因果关系提供了一个严谨的定量框架（Liang, 2013；Liang, 2021；Liang, 2018；Liang, 2016；Liang, 2015；Liang, 2014；Liang, 2008；Liang和Kleeman, 2005）。近年来，该方法被广泛应用于大气科学领域，应用于温室气体与全球变暖（Hagan等，2022；Jiang等，2022；Stips等，2016）、大气遥相关（Vannitsem和Liang, 2022；Zhang等，2025a）、海气耦合（Docquier等，2023；Yang等，2024）以及北极海冰变化的归因分析（Docquier等，2022）。

现有大多数研究集中于单一区域或视角，或受限于2013年以来的短记录。这使得评估中国东部地区CHOEs的长期演变及其多因素协同驱动变得困难。因此，本研究采用了1980至2024年的多源数据集，揭示区域CHOEs的长期时空特征。研究应用Liang–Kleeman信息流方法识别驱动CHOEs频发的大尺度气候信号，并探索这些事件的驱动因素。同时考察城市化与前体物排放的叠加效应，判定它们如何在本地调节区域性事件。本研究有望为区域空气质量管理及公众健康改善提供科学依据。

章节摘要

数据

本研究选取通用热气候指数（UTCI）作为热浪指标，数据取自ERA5-HEAT数据集（Di Napoli等，2018），可从以下地址获取：https://cds.climate.copernicus.eu/。UTCI已被广泛应用于识别极端高温和复合热浪事件，以及量化相关风险（Dong等，2023；Qin等，2026；Zou等，2025）。本研究还采用了ERA5月度气象再分析数据，包括位势高度、风分量等。

中国东部CHOEs的时空特征

在1980—2024年间，中国东部的CHOEs呈现显著的 nonlinear上升趋势。CHOE频率年际增幅最大的时期出现在2016—2017年之间（增加605起），分段回归独立识别出2016—2017年为最佳断点（supF p?

结论与讨论

本研究量化了1980至2024年中国东部CHOEs的时空演变，并考察了2016年后其显著增加的驱动因素。CHOEs呈现非线性上升趋势。高频发生区域主要集中在主要城市群，峰值发生期向暖季两端扩展。条件概率分析显示P(CHOEs|HWEs)持续上升，这表明热浪对臭氧污染事件的触发效力正在增强。

CRediT作者贡献声明

Xiaoyi Wang：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，可视化，软件，方法论，调查，数据整理。Pengguo Zhao：撰写—审阅与编辑，监督，方法论，形式分析，概念构思。Bohui Jiang：验证，调查，数据整理。Jinghui Ma：撰写—审阅与编辑，监督，资源获取，项目管理，资金获取，形式分析，概念构思。

未引用参考文献

Gong等，2025b

Wang等，2021b

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能对本研究所述工作产生影响。

致谢

本研究由国家自然科学基金资助（批准号：42675070、42375067、42075051、42375056和42288101）。此外，我们感谢TAP和MEIC提供可获取的数据。

Xiaoyi Wang|Pengguo Zhao|Bohui Jiang|Jinghui Ma