南极半岛原始站与有人居住站的地表臭氧浓度变率

《Atmospheric Environment》：Surface Ozone Concentration Variability Across Pristine and Populated Sites of the Antarctic Peninsula

　　

# 未受污染南极地区的地表臭氧浓度高于有人类活动的科考站

- 未受污染南极地区的近地面臭氧浓度高于有人类驻守的科考站
- 科考站附近的本地柴油排放驱动了臭氧滴定过程
- 黑碳证实了科考站存在燃烧活动，而未受污染地区则不存在
- 臭氧的空间差异由本地化学反应主导
- 南极监测应优先选择远离排放源的未受污染地区

## 引言

对流层臭氧（O?）是地球大气中的关键微量气体，它既是调控光通量和大气化学反应的氧化剂，也是一种对人类健康、生态系统和气候产生不利影响的大气污染物（Jenkin and Clemitshaw, 2000; Seinfeld, 1991）。对流层臭氧是一种重要的氧化剂和温室气体，对辐射强迫有贡献，并影响着偏远地区的大气氧化能力（Sharma et al., 2025）。作为羟基自由基（OH）的主要来源之一，对流层臭氧控制着许多与气候相关气体的寿命，包括甲烷和一氧化碳（Monks et al., 2015）。尽管近地面臭氧常与中纬度城市区域的光化学污染相关联，但它也是偏远地区本底大气的重要组成部分，其变异性反映了大规模传输、化学生成与损耗以及地表沉积之间的平衡（Lefohn et al., 2018）。

对流层臭氧并非直接排放，而是一种二次污染物，通过涉及氮氧化物（NOx = NO + NO?）、挥发性有机物（VOCs）、一氧化碳（CO）和具有生物活性的太阳辐射的光化学反应生成（Jenkin and Clemitshaw, 2000）。在前体物浓度极低的偏远高纬度地区，原位光化学生成通常很弱，臭氧浓度主要受来自低纬度的传输和化学消亡过程的控制。近地面最有效的臭氧损耗机制之一是受到一氧化氮（NO）的滴定，反应式为 O? + NO → NO? + O?，即使相对较低的NO排放量也能迅速降低臭氧浓度（Atkinson, 2000; Monks et al., 2015; Wang et al., 2017）。因此，本地燃烧源的存在与否可以强烈地调节近地面臭氧浓度，尤其是在其他方面比较洁净的环境中。在人为影响极小的偏远地区，本地NOx排放主要与燃烧源相关。这些燃烧过程通常同时排放黑碳（BC）和NOx（Bond et al., 2013）。因此，黑碳可以作为本地燃烧活动的实用示踪剂，为燃烧相关NOx排放的存在提供间接证据，而这些排放可能参与了近地面臭氧的滴定过程。

极地地区为研究低人为影响条件、极端季节性太阳辐射以及独特的边界层动力学下的对流层臭氧化学提供了一个独特的天然实验室。在南极，本底对流层臭氧浓度通常低于北极，这是由于北半球工业化程度更高导致人为排放较多，以及南半球环流的隔离性（Helmig et al., 2007）。尽管如此，南极臭氧仍表现出显著的空间和时间变异性，由传输、化学和地表过程的综合作用所驱动。

大量南极臭氧研究聚焦于平流层，这源于南极臭氧洞的发现及其对气候和紫外辐射的影响（世界气象组织（WMO），2022）。因此，南极对流层和近地面臭氧受到的关注较少，长期、空间分布的表面观测数据仍然稀缺。现有的南极地表臭氧研究通常仅在有局限数量的观测站点进行，且这些站点一般位于永久科考站附近（以下简称"科考站"）。

南极各地的长期地表臭氧观测表明沿海与内陆科考站之间存在持续的差异，大多数现有南极地表臭氧浓度测量数据集中比较了这两种环境。沿海科考站的夏季臭氧浓度通常较低，反映了光化学破坏的增强，在某些地区还受到卤素化学的影响。例如，位于南极东部沿海的法国 Dumont d'Urville 站的长期观测表明，夏季平均近地面臭氧浓度通常低于20 ppb，最低值出现在夏季强边界层混合和海洋影响期间（Legrand et al., 2009）。其他南极沿海科考站也报告了类似的夏季数值，约为13-18 ppb，包括位于南极东部的中国中山站，该站的近地面臭氧浓度在去除本地污染后显示出明确的夏季季节性最低值和相对较小的日变率（Bian et al., 2018）。在有人驻守的沿海及近沿海科考站，如位于南极半岛东部的阿根廷 Marambio 站，也报告了可比的夏季臭氧浓度，数值约为16 ppb（Nadzir et al., 2018）。与这些观测一致，在南极沿岸研究巡航期间获得的原位测量数据显示，接近德雷克海峡和沿海南极半岛时，夏季近地面臭氧浓度通常在10至13 ppb之间，而受海洋影响更显著的区域观测到的数值更低（Nadzir et al., 2018）。相比之下，南极内陆和高海拔地区持续观测到较高的夏季近地面臭氧浓度，根据数十年数据记录得出的夏季最低臭氧浓度在内陆科考站（如南极点和康科迪亚站，约20-25 ppb）系统性高于沿海科考站（通常夏季最低值接近约15 ppb）（Kumar et al., 2021）。位于南极东部高原的法国-意大利联合科考站康科迪亚站的观测表明，夏季平均臭氧浓度经常超过沿海科考站，通常保持在20 ppb以上，在某些光化学生成增强事件中甚至达到显著更高的数值（Legrand et al., 2009）。更往内陆的全年测量数据，包括在Dome A（中国南极昆仑站附近区域）的测量，证实了这一规律，即夏季臭氧浓度升高和频繁的臭氧增强事件归因于南极高原上臭氧寿命长、边界层浅以及区域尺度传输，而非本地人为影响（Ding et al., 2020）。此外，平流层-对流层交换过程，包括富含臭氧的空气 episodic 进入对流层，已被确认为南半球对流层臭氧的自然来源，这些过程导致臭氧增强事件，反映了大规模动力学过程对南极臭氧变异性的重要影响（Greenslade et al., 2017; Solomon et al., 2005）。

许多现有南极地表臭氧观测存在一个实际局限，即测量通常在科考站处或其附近进行，这主要是由于与电力供应、可达性和仪器维护相关的后勤需求。在偏远地区运营仪器面临的后勤挑战，包括电力供应、站点可达性和采样的连续性，进一步解释了为什么大气监测设备通常部署在科考站基础设施附近（Préndez et al., 2009）。尽管这些站点提供了宝贵的观测记录，但靠近人类活动使得近地面臭氧浓度可能受到本地因素的影响，从而可能限制其对更广泛南极本底条件的代表性。鉴于南极科考站普遍依赖燃烧式发电，这一担忧尤为重要。最近的一项调查识别出南极共有81个科考站，并报告化石燃料仍然是主要能源，其中只有37个站采用了可再生能源，而且比例通常较低（de Witt et al., 2024）。这种本地影响对观测臭氧浓度的影响程度尚不确定，尤其是在沿海地区，自然变率和人类活动可能并存。这凸显了在有本底地区进行观测以更好地表征南极半岛基础地表臭氧浓度的必要性。

在此背景下，本研究旨在通过在未受污染地区和科考站进行协同测量，为南极半岛夏季地表臭氧浓度提供新的观测约束。通过考察地表臭氧变异性与本地燃烧相关指标及气象传输模式之间的关系，本工作弥补了南极大气观测中的关键空白，并为地球最偏远地区之一的本底地表臭氧表征提供了更坚实的依据。

## 监测站点

2025年南半球夏季（2025年1月至2月）期间，在南极半岛8个站点进行了近地面臭氧和黑碳（BC）浓度的测量。表1总结了每个站点的地理位置和测量时段，图1展示了监测站点地图。表1中报告的监测时段对应近地面臭氧测量。黑碳浓度在 La Paloma 站与近地面臭氧同步测量，

## 南极各站点臭氧浓度测量与变异性

近地面臭氧浓度在南极各站点之间表现出清晰且系统性的差异，未受污染地区的数值始终高于科考站。

近地面臭氧监测结果总结于表3，该表列出了每个站点的质控后1分钟观测数量、平均臭氧浓度以及相应的平均标准误差（SE）。图2展示了近地面臭氧的时间序列

## 结论

本研究在南极半岛8个站点进行了协调的地面观测，涵盖了具有不同本地化学环境的地点。通过结合臭氧和黑碳浓度测量与风速分辨率分析，本工作为控制南极地表臭氧空间变率和短期时间变异性的过程提供了新的约束。

未受污染地区与……之间观测到了清晰且具有统计学显著性的对比

## 数据声明

本研究使用的现场测量数据可向作者索取，并将用于非商业科学研究。

## CRediT作者贡献声明

Francisco Cereceda-Balic：撰写–审阅与编辑、监督、项目管理、方法论、调查研究、资金获取；Magín Lapuerta：撰写–审阅与编辑、调查研究；Gonzalo Barcaza：撰写–审阅与编辑、调查研究；Valeria Campos：撰写–审阅与编辑、撰写–初稿、可视化、验证、软件、方法论、形式分析、数据管理、概念化；Hans Moosmüller：撰写–审阅与编辑、资源；John F. Mejia：

## 未引用参考文献

NOAA国家环境预测中心，2015年；NOAA；Seinfeld et al.，1991年；世界气象组织，2022年。

## 利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所述的工作。

Francisco Cereceda-Balic | Magín Lapuerta | Gonzalo Barcaza | Hans Moosmüller | John F. Mejia | Ximena Fadic | Valeria Campos