近日，大气科学学院黄昕教授、李蒙蒙副教授等在气候变暖下中国“热浪-臭氧”复合极端事件的应对方面取得研究进展，成果以“Coping with the concurrent heatwaves and ozone extremes in China under a warming climate”为题发表于《Science Bulletin》（影响因子18.9）。论文第一作者为李蒙蒙副教授，通讯作者为黄昕教授，南京大学为论文通讯单位。
图1 （a）中国地区热浪频率和强度的增长趋势以及臭氧浓度对比；（b）观测2013-2022年夏季“热浪-臭氧”复合极端事件的分布
加速的全球城市化和密集的人为活动导致了前所有为的气候和环境危机，尤其高温和臭氧污染的共发生对人类生存和生态构成严重威胁，甚至抵消了人为源排放控制对大气污染的改善。本研究基于外场观测和气候-化学耦合模拟，系统分析了“热浪-臭氧”复合极端事件中人为活动、植被和气候系统之间复杂的相互作用。研究发现，近年来中国地区高温热浪事件频繁发生，无论是频率或者强度都呈现不断增长的趋势（图1a）。同时，高温热浪的发生加剧了区域臭氧污染，导致全国平均臭氧浓度水平和超标率增加超过30%，“热浪-臭氧”复合极端事件的发生尤其集中在长江中下游、川渝等城市群地区（图1b）。
进一步地，本研究利用外场观测、卫星遥感和数值模拟，分析了热浪期间人为源和天然源排放对高温的响应。分析发现，持续高温导致热浪期间植被天然源排放几乎加倍，同时外场观测环境大气中异戊二烯浓度以及卫星遥感观测甲醛柱浓度也发现高温期间的明显增长。此外，结合中国东部主要城市的电厂氮氧化物（NOx）排放的统计资料以及卫星遥感，分析发现高温下城市能源需求的增加可能带来电厂NOx排放增长~30%（图2）。
图2 高温热浪导致的中国人为源和天然源排放的变化
基于区域气候-化学耦合模拟，本研究探讨了2013和2022年两次持续性“热浪-臭氧”复合极端事件形成的理化过程（图3）。研究发现，高温导致的光化学反应速率增强，以及人为和天然排放增加是促进热浪期间臭氧化学生成的重要因素。另外，高温-干旱胁迫下抑制的植被气孔沉降清除也是导致热浪期间臭氧异常高值的重要过程，以上过程共同导致热浪期间臭氧污染的加剧。
图3 2013和2022年“热浪-臭氧”复合极端事件中（a, b）中国东部地区臭氧化学生成的增强以及（c, d）不同理化过程对臭氧生成的贡献
最后，本研究利用大气化学箱模型计算了臭氧-温度的敏感性与人为源排放之间的关系（图4）。模拟表明，臭氧-温度的敏感性受到人为源排放的显著影响，尤其臭氧-NOx-温度之间的关系呈现很强的非线性，只有大幅度减少NOx排放才能有效抵制高温下臭氧的增长。近年来，清洁空气行动以来大气污染排放的控制可能改变城市地区臭氧-高温的敏感性，而CMIP6预测未来高能耗、高排放的发展情景可能加剧“热浪-臭氧”复合极端事件。
图4 基于大气化学箱模型计算臭氧-NOx-温度关系
本研究受到科技部重点研发计划（2022YFC3701105）、国家自然科学基金（42293322、42275100）等项目的资助。
参考文献：
Mengmeng Li, Xin Huang*, Dan Yan, Shiyi Lai, Zihan Zhang, Lei Zhu, Yuting Lu, Xinyi Jiang, Nan Wang, Tijian Wang, Yu Song, Aijun Ding, Coping with the concurrent heatwaves and ozone extremes in China under a warming climate, Science Bulletin, 2024, doi: 10.1016/j.scib.2024.05.034.