在中国东部，长距离传输过程中氯的作用加剧了沿海地区的臭氧污染

《Atmospheric Environment》：Chlorine–mediated enhancement of coastal ozone pollution under long–range transport in eastern China

臭氧污染成因与海陆交互作用研究

　　

杨志豪|李杰|刘宇辰|陈静|傅晓

清华大学深圳国际研究生院环境与生态研究所，中国深圳，518055

摘要

尽管已经实施了有效的控制措施，中国东部的臭氧（O₃）污染近年来仍在恶化。活性氯通过调节大气的氧化能力，在调控O₃的形成中起着关键作用。然而，在中国东部，活性氯对O₃形成的影响，特别是在陆海相互作用和长距离传输的背景下，尚未得到充分研究。在这项研究中，我们将化学传输模型（CTM）与气象和O₃观测数据以及 backward trajectory 分析相结合，以识别2018年秋季中国东部一次典型的长距离O₃传输事件。上海、福州和深圳这三个代表性城市受到了显著的区域传输影响。在典型的传输事件期间，氯的排放加剧了O₃污染，上海、福州和深圳的O₃浓度峰值分别增加了10、12和8 μg m^?3。海洋来源的氯占据了这一影响的55.8%、63.3%和69.5%。这些发现强调了氯排放，特别是来自海洋的氯排放，在提高沿海地区O₃浓度方面的关键作用。

引言

对流层臭氧（O₃）是全球最严重的大气污染物之一，它是由挥发性有机化合物（VOCs）和氮氧化物（NO_x）通过一系列光化学反应产生的（Guo等人，2023；Liu等人，2022；Monks等人，2005；Monks等人，2015）。自2013年以来，中国实施了严格的排放政策，导致O₃前体物质的排放显著减少（Liu等人，2023；Shao等人，2023；Wang等人，2024；Xue等人，2019；Zhang等人，2019；Zheng等人，2018）。然而，O₃浓度却呈现上升趋势（Li等人，2020），年均MDA8 O₃浓度增加了2.57 μg/m³（Liu等人，2023），尤其是在中国的沿海地区（Chen等人，2023）。高浓度的O₃对人类健康、生态系统和农业生产力构成了严重威胁（Mills等人，2018；Sun等人，2022；Tang等人，2014）。因此，了解这些地区的形成过程对于有效控制O₃污染至关重要。

先前的研究强调了活性氯在海洋和沿海大气中的重要性（Dai等人，2020；Fan和Li，2023），它们可以影响大气的氧化能力并调节O₃浓度。海盐气溶胶（SSA）是颗粒态氯的重要来源，它可以与五氧化二氮（N₂O₅）发生异质反应，释放出Cl自由基。像羟基自由基（OH）一样，Cl自由基可以迅速与VOCs反应生成有机过氧自由基（RO₂）和氢过氧自由基（HO₂），从而促进O₃的形成。另一方面，氯也可以通过与O₃的反应直接破坏O₃，并通过还原NO₂间接影响O₃。然而，大多数研究仅关注局部影响，并未扩展空间尺度。

研究表明，长距离传输对中国东部沿海地区的空气质量有显著影响。例如，来自中国北部和东北部以及日本和韩国的传输会导致秋季污染物积累增加（Zheng等人，2021）。此外，大规模的陆海相互作用会延长中国北部沿海城市的O₃污染事件持续时间（Zheng等人，2024），而海洋-大陆大气相互作用在暖季显著影响南海沿海地区的空气质量（Wang等人，2018）。虽然Cl自由基的寿命非常短（通常为几秒到几分钟），但由于其高反应性，氯的储存物种如ClNO₂和颗粒态氯化物可以持续数小时到数天（Halfacre等人，2025；Simon等人，2010）。此外，通过氯引发的化学反应形成的O₃在大气中的寿命要长得多，因此可以通过长距离传输。因此，活性氯可能通过长距离传输对O₃污染有所贡献，但该领域的相关研究目前非常有限。

本研究调查了2018年11月一次典型的O₃事件中，中国东部沿海地区长距离传输条件下氯排放对O₃形成的潜在作用。通过分析O₃观测数据、气象场和back-trail trajectories，我们确定了影响中国东部O₃水平的长距离传输过程。利用化学传输模型结合过程分析，我们量化了不同来源的氯排放对传输路径上三个代表性城市O₃形成的贡献。结果表明，特别是来自海洋的氯排放，通过水平传输显著提高了这些城市的O₃浓度。我们的发现强调了海洋来源的氯在长距离传输过程中驱动O₃形成中的重要作用，并为制定协调的区域O₃污染控制策略提供了科学支持。

观测数据

气象数据来自国家气候数据中心（https://www.ncdc.noaa.gov）和欧洲中期天气预报中心（ECMWF），包括2米高度的温度（T2m）、10米高度的风速（WS10m）和10米高度的风向（WD10m）。气象站的空间分布如图S1所示。每小时O₃观测数据来自中国国家环境监测中心（www.cnemc.cn），站点位置也显示在图S1中。

长距离O₃传输的特点

图2展示了2018年11月10日至18日期间三个城市模拟和观测到的O₃的每小时变化。分析重点关注了上海的11月12日至13日、福州的11月13日至14日以及深圳的11月14日至15日。在这些时期，我们观察到即使在缺乏光化学反应的情况下，夜间O₃浓度也没有显著下降，而是在70–100 μg/m³之间波动。

结论

本研究调查了2018年11月10日至18日发生在中国东部沿海地区的一次长距离O₃传输事件。选择了从北到南的三个代表性城市，使用WRF–CMAQ和HYSPLIT模型来模拟气象、空气质量以及气团传输。然后，我们对气象条件、风场和气流轨迹以及O₃水平的时空变化进行了全面分析。

CRediT作者贡献声明

杨志豪： 数据整理、正式分析、方法论、软件开发、可视化、初稿撰写、审稿与编辑。 李杰： 数据整理、正式分析、验证、可视化、初稿撰写、审稿与编辑。 刘宇辰： 方法论、审稿与编辑。 陈静： 方法论、审稿与编辑。 傅晓： 构思、资金获取、资源协调、监督、初稿撰写、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了深圳市科技创新委员会（JCYJ20220530143007016）、广东省自然科学基金（2025A1515012215）和中国国家重点研发计划（2023YFC3709204）的支持。