夏季热浪加速首尔超大都市臭氧生成：气候惩罚效应与物理化学机制解析

《Environmental Science: Processes & Impacts》：Accelerated O3 formation triggered by summer heatwaves in megacity Seoul

本文通过观测与模型模拟，系统揭示了2018年夏季首尔热浪期间臭氧（O3）浓度加速上升的现象，提出臭氧气候惩罚因子（CPFO3）在高温下显著增强。研究强调边界层动力过程与挥发性有机物（VOCs）逃逸排放的共同作用，为超大城市臭氧污染防控提供关键科学依据。

　　

环境意义

全球变暖背景下，热浪频发将加剧城市地表臭氧污染，但其具体形成机制尚不明确。本研究通过量化2018年首尔极端热浪期间臭氧的温度依赖性，揭示氮氧化物（NO_x）饱和条件下臭氧生成效率（OPE）提升及边界层动力过程的关键作用，预示未来热浪可能导致超大城市臭氧污染超预期加速。

引言

全球地表温度持续上升，预计至2100年东北亚地区平均气温最高增幅达7.0°C。高温会促进NO_x和挥发性有机物（VOCs）排放区的臭氧生成，2018年欧亚城市热浪期间臭氧浓度骤增即为佐证。臭氧作为短寿命气候污染物（SLCP），既加剧全球变暖，又恶化空气质量，其与气候变化的反馈关系被称为“臭氧气候惩罚”。首尔作为亚洲超大城市，2018年夏季遭遇历史性热浪（最高38.9°C），臭氧浓度突破韩国空气质量标准（100 ppbv），年均臭氧增长率升至1.73 ppbv/年，较热浪前增加54%。

材料与方法

研究于2018年7月13日至8月20日在首尔多个点位同步监测臭氧、氮氧化物、55种VOCs及边界层高度（BLH），并结合F0AM箱模型和WRF-Chem v3.9.1模拟分析。臭氧气候惩罚因子（CPF_O3）通过线性（CPF_O3L）和二次回归（CPF_O3Q）量化，其变化归因于物理过程（如边界层混合）、化学反应及排放变化（d(Phy)、d(Chem)、d(Emi)）。

结果与讨论

臭氧气候惩罚因子估算

热浪期间（日最高温>33°C），CPF_O3L达15.5 ppbv °C^?1，显著高于全期均值（11.5 ppbv °C^?1）。二次回归显示CPF_O3Q随温度上升而加速，38.9°C时达22.8 ppbv °C^?1。离散化分析表明，物理过程贡献占比超80%（12.3 ppbv °C^?1），远高于化学与排放过程（<2 ppbv °C^?1）。

垂直混合作为臭氧加速生成的物理驱动

热浪期间边界层高度（BLH）日间扩展至1500米，湍流扩散系数（k_z）显著升高，促进臭氧的垂直输送与积累。WRF-Chem模拟显示，热浪期臭氧垂直梯度变化加剧，午后高层臭氧向下混合增强表面浓度。BLH与温度变化比值（ΔO₃/ΔBLH）热浪期较非热浪期高21.8%，凸显边界层动力过程的主导作用。

臭氧生成效率

热浪期间臭氧生成效率（OPE=O_x/NO_z）升至18.9，高于非热浪期（16.4）。尽管异戊二烯浓度因生物排放限制增幅有限（10.3% °C^?1），人为VOCs（AVOCs）逃逸排放显著增加（2.7% °C^?1），在NO_x饱和条件下推动臭氧高效生成。

结论

首尔热浪期间臭氧气候惩罚效应显著强化，主因边界层动力过程与VOCs逃逸排放协同作用。未来热浪频发可能引发超大城市臭氧污染非线性增长，需优先控制AVOCs排放以遏制臭氧加速上升趋势。本研究为气候变暖背景下臭氧污染治理提供机制解析和政策依据。