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气候变化背景下高温热浪频发，不仅对生态系统和农业生产造成负面影响，也导致严重的臭氧（O3）污染并威胁人群健康。在人口密集的城市群区，高温-臭氧复合极端事件已成为制约城市宜居性和可持续发展的重要挑战之一。热浪期间持续的大范围臭氧污染的形成与大气复杂理化结构密切相关，此类高影响天气事件的防控和应对需从大气理化过程耦合视角系统认识高温-臭氧复合极端事件的形成机制。近日，我院黄昕教授课题组联合国内多位学者，在《Nature Cities》以“Urban meteorology-chemistry coupling in compound heat-ozone extremes”为题发表相关研究成果，揭示城市高温-臭氧复合极端事件中的理化耦合机制。
该研究综合卫星遥感、地面空气质量监测等资料，发现我国过去十年高温期间臭氧浓度普遍增加，臭氧超标站点占比从11.5%攀升至26.6%，暖季高温-臭氧复合极端事件已超过4.2天/年，在我国人口密集的城市群区尤为显著（图1）。热浪期间的高温和较强的边界层扩散引发臭氧主要前体物浓度呈现异常的垂直结构，氮氧化物（NOx）在高空增加而近地面明显下降，同时，近地面挥发性有机物（VOCs）浓度也相较平时更高。
图1 2014-2023年中国主要城市群高温热浪期间的臭氧和二氧化氮浓度异常
基于系留飞艇观测和大气理化耦合模拟，研究发现热浪期间前体物垂直结构的显著变化导致臭氧光化学敏感性的转变。臭氧的光化学生成一般随高度从VOCs敏感区逐渐过渡为NOx敏感区，高温热浪条件下显著增强的垂直混合扩散和生物源挥发性有机物排放，改变了NOx和VOCs等前体物的垂直分布，加快地表和边界层上层的臭氧光化学生成速率，从而加剧整个城市边界层内的臭氧污染（图2）。在我国城市群区相对密集的排放背景下，高温热浪期间NOx减排更容易使地表和边界层上层的臭氧化学生成转变为NOx敏感区（相较于非热浪天转变临界点提前约10%），从而可有效缓解城市臭氧光化学污染。
图2 城市边界层以及臭氧和氮氧化物垂直分布对高温热浪的响应
未来全球变暖背景下高温热浪将更为严峻，预计中等温室气体排放情景（SSP2-4.5）下，2060年左右中国地表日最高气温将上升超过1.5℃，导致城市极端高温及臭氧污染风险加剧。基于气象-化学耦合模型模拟，该研究评估了未来气候变化下污染物减排措施在缓解城市臭氧污染中的潜力。研究发现，2060年我国碳中和目标下污染物的大幅减排使臭氧光化学生成向NOx敏感型转变，高温热浪期间我国京津冀、长三角、珠三角和成渝城市群的臭氧污染可缓解41-47%（图3）。尽管未来高温热浪持续加剧，积极的城市污染排放控制政策可显著减少高温-臭氧复合事件的发生，有助于城市应对空气污染和气候变化的双重挑战。
图3 未来气候和排放情景下高温-臭氧复合极端事件的发生频率
南京大学大气科学学院博士生周雪钰、李蒙蒙副教授为该论文共同第一作者，黄昕教授为论文通讯作者，合作者包括南京大学大气科学学院丁爱军教授及课题组成员、北京大学环境科学与工程学院覃栎研究员、清华大学环境学院耿冠楠副研究员等。南京大学为论文第一和通讯单位。该项研究工作受到国家自然科学基金（42293322）和国家科技部重点研发项目（2022YFC3701105）的共同资助。
论文链接：Zhou, X., Li, M., Huang, X., Liu, T., Zhang, H., Qi, X., Wang, Z., Qin, Y., Geng, G., Wang, J., Chi, X., Ding., A., Urban meteorology–chemistry coupling in compound heat–ozone extremes. Nat Cities (2025). https://doi.org/10.1038/s44284-025-00302-1 | 
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