一个位于中纬度的低气压系统通过多种途径，加剧了中国近地面臭氧浓度的普遍升高

《Atmospheric Research》：A mid-latitude cut-off low fuels widespread near-surface O 3 enhancements in China via multiple pathways

臭氧生成机制|东北冷涡|平流层-对流层输送|西太平洋副热带高压|光化学反应

　　

李志宽|罗月涵|赵天亮|孟凯|杨青健|杨凯|金旭翔|卢振|王德阳

中国气象局气候系统预测与风险管理国家重点实验室，气溶胶-云-降水重点实验室，南京信息科技大学，南京210044，中国

摘要

中纬度切变低压通过平流层臭氧（O₃的侵入显著影响空气质量，然而，其对周围臭氧（O₃的空间广泛影响及其相关机制仍不甚清楚。因此，本研究通过整合2020年4月15日至18日期间东亚典型切变低压——东北冷涡（NECV）的观测数据和模拟数据，探讨了NECV导致中国东部（EC）近地面臭氧（O₃增加的机制。随着NECV向东南方向移动，整个EC区域的近地面臭氧（O₃水平升高。当NECV位于太平洋沿岸的EC地区时，北部、中部和南部的近地面臭氧（O₃浓度分别增加了40–60?μg·m^?3，相当于相对增加了29.76%、17.29%和47.49%。NECV外围的强烈下沉作用将平流层臭氧（O₃向下输送到对流层。同时，NECV与向西扩展的西太平洋副热带高压（WPSH）相互作用，在EC中部形成了一个辐合区，使得输送的臭氧（O₃在EC中部积累，从而增强了近地面臭氧（O₃浓度。在EC南部，由于西太平洋副热带高压的扩展形成了反气旋异常，导致晴朗天气和更强的太阳辐射，进而加剧了光化学作用下的臭氧（O₃生成。总体而言，这些结果揭示了NECV相关近地面臭氧（O₃增加的协同气象机制，包括三个耦合路径：平流层侵入（SI）、水平输送和光化学生成。这些发现有助于更全面地理解切变低压的环境影响，并为完善臭氧（O₃污染控制策略提供支持。

引言

对流层臭氧（O₃主要通过一系列光化学反应产生，这些反应涉及氮氧化物（NO?）、挥发性有机化合物（VOCs）、一氧化碳（CO）等前体物质，在太阳辐射的作用下（Lelieveld和Dentener，2000年），臭氧（O₃及其前体的区域输送也会影响对流层臭氧（O₃的变化（Sun等人，2019年；Gong等人，2020年；Mao等人，2022年）。此外，平流层到对流层的输送（STT）可以将富含臭氧（O₃的空气团注入对流层，甚至穿透行星边界层（PBL）到达近地面（Holton等人，1995年；Bourqui和Trépanier，2010年；Luo等人，2024a年）。平流层侵入（SI）作为STT的关键表现形式，被认为是对流层臭氧（O₃变化的重要因素（Ding和Wang，2006年；Verstraeten等人，2015年；Meng等人，2022年；Zhang等人，2025年）。

气象因素在对流层臭氧（O₃变化中起着重要作用。臭氧（O₃的光化学生成受多种气象条件影响，包括高空气温度、低相对湿度和晴朗天气下的强烈太阳辐射（Zhao和Wang，2017年；Yin等人，2019年；Qu等人，2021年）。盛行风可以将臭氧（O₃及其前体从源区输送到大气中的辐合区（Hu等人，2018年；Zhang等人，2023年；Shen等人，2024年；Romero-Alvarez等人，2025年）。由于东亚季风的典型气候特征，中国东部（EC）在冬季和夏季季风期间分别受到北风和南风的影响，从而控制了EC地区的臭氧（O₃输送（Ding，1993年；Yang等人，2014年；Li等人，2021年；Zhou等人，2022年）。东亚季风的区域环流还包括副热带反气旋、热带和温带气旋，它们驱动了EC地区的空气污染物输送（Jiang等人，2015年；Jaeglé等人，2017年；Liu等人，2023b年；Yang等人，2024年）。

亚热带西风急流中的对流层顶折叠是臭氧（O₃进入对流层的关键气象机制（Stohl等人，2003年）。在对流层上层，西风扰动经常导致高层槽的发展，引发对流层顶折叠（Kunz和Speth，1997年）。与强烈的对流层顶折叠相关，中纬度西风急流中的大型槽可以引起强烈的下沉作用（Chang等人，2023年），进一步加剧时，可以完全脱离主西风流动，形成中纬度切变低压（Satyamurty和Seluchi，2007年；Martin，2021年），表现出明显的垂直环流模式：涡旋核心处上升运动，而近地面层和对流层上层之间的外围下沉，有利于平流层臭氧（O₃的向下输送（Gouget等人，2000年；Pan等人，2007年）。中纬度切变低压被视为触发臭氧（O₃进入对流层的重要天气系统（Luo等人，2024a年；Chen等人，2025年）。

东北冷涡（NECV）是东亚典型的切变低压系统，其特征是具有深厚的冷核涡旋（Nieto等人，2005年；Lian等人，2016年；Xie和Bueh，2017年）。在其垂直结构演变中，包括高层西风深槽、中层冷涡旋和低层温带气旋，平流层臭氧（O₃可以通过高层西风急流的深槽进入对流层，然后通过冷涡旋外围的补偿性下沉作用进一步向下输送，并最终被低层温带气旋强迫穿过大气边界层（Luo等人，2024a）。这类NECV引起的平流层侵入现象已被广泛研究，重点关注其在EC有限区域内增强近地面臭氧（O₃的气象机制（Luo等人，2024a；Meng等人，2024年；Zhu等人，2024年）。

从气象学角度来看，NECV对大气环流变化有显著影响，其向东扩展与西太平洋副热带高压（WPSH）的向西扩展相互作用，形成一种负反馈机制，维持了两者之间的相对位置（He等人，2007年）。NECV与WPSH之间的空间配置加强了来自EC北部寒冷干燥空气团与EC南部温暖湿润空气团在长江中下游的辐合（Chen等人，2024a）。此外，向西扩展和沿纬度发展的WPSH与东亚季风的变化密切相关，导致EC地区的云量、太阳辐射和气温变化（Xie等人，1999年），这些变化可以通过相应区域的光化学作用调节对流层臭氧（O₃水平（Yang和Sun，2003年）。然而，目前关于NECV对EC近地面臭氧（O₃影响的研究主要集中在NECV引起的平流层臭氧（O₃侵入上，关注的是受外围下沉气流直接影响的有限区域，对于由中纬度切变低压引起的大气环流变化及其后续气象效应（如臭氧（O₃的水平输送和光化学生成）导致的近地面臭氧（O₃异常的机制和空间范围了解甚少。因此，中纬度切变低压对周围臭氧（O₃浓度的影响及其涉及的多种机制仍是一个未解决的科学问题。

近年来，EC地区尤其是华北平原、长江中下游和珠江三角洲频繁出现近地面臭氧（O₃浓度过高的空气污染事件（Chang等人，2017年；Lu等人，2018年；Li等人，2019年）。本研究聚焦于一个典型的NECV事件及其对EC近地面臭氧（O₃的影响，旨在阐明NECV通过SI、水平输送和光化学生成等主要途径调节EC近地面臭氧（O₃异常的综合物理气象机制。我们的目标是加深对中纬度切变低压引起的大气物理和化学过程如何影响EC近地面臭氧（O₃变化的理解，从而为完善区域大气环境中的臭氧（O₃污染机制提供支持。

气象和空气污染物数据

本研究使用的气象再分析数据来自欧洲中期天气预报中心（ECMWF）发布的再分析数据集（https://cds.climate.copernicus.eu/datasets; https://ads.atmosphere.copernicus.eu/datasets;，最后访问日期：2025年3月6日）。具体来说，ERA5数据集提供了垂直速度、风速、散度、位势、总云量、向下表面太阳辐射和臭氧质量混合比等变量

近地面臭氧（O₃增加的气象机制

对流层臭氧（O₃的变化通常由一系列光化学反应和三维输送控制，包括臭氧（O₃的区域水平输送和垂直平流层到对流层的输送（Bourqui和Trépanier，2010年；Verstraeten等人，2015年；Mao等人，2022年；Luo等人，2024a）。在以下部分，基于2015–2023年同一时期EC近地面臭氧（O₃异常的分析，探讨了NECV引起的近地面臭氧（O₃正向异常的机制

结论

与强烈的对流层顶折叠相关，西风急流中的深槽加剧后可以完全脱离主西风流动，形成中纬度切变低压，这被认为是通过触发平流层臭氧（O₃进入近地面大气来影响大气环境的一种气象机制。然而，对于切变低压的多种路径及其对周围臭氧（O₃的广泛影响仍缺乏全面理解

CRediT作者贡献声明

李志宽：撰写——原始草案、软件开发、方法论、数据分析、概念化。罗月涵：撰写——审阅与编辑、可视化、监督、资金获取、数据分析、概念化。赵天亮：撰写——审阅与编辑、可视化、监督、方法论、资金获取、数据分析、概念化。孟凯：撰写——审阅与编辑、方法论。杨青健：方法论。杨凯：方法论。金旭翔：数据

利益冲突声明

通讯作者声明所有作者均无利益冲突。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2022YFC3701204）、国家自然科学基金（项目编号：42275196和42475195）以及江苏省研究生研究与实践创新计划（项目编号：KYCX24_1438）的支持。作者衷心感谢中国国家气象信息中心、中国国家环境监测中心和ECMWF提供的开放数据支持