北半球大气自净能力正迎来“历史性拐点” | NSR论文

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大气羟基自由基的长期趋势研究

羟基自由基是大气中最重要的氧化剂之一，在大气自净过程中发挥核心作用。它不仅主导氮氧化物、甲烷和一氧化碳等大气污染物的去除，还深度参与臭氧和细颗粒物等二次污染物的生成，在空气质量与气候变化中扮演着关键角色。然而，受限于观测手段，当前仍缺乏兼具长时间序列和高空间覆盖的OH观测资料，其浓度估算长期主要依赖大气化学模型模拟及卤代烃反演等方法。由于排放清单存在不确定性、化学机制表征仍有限，不同研究对对流层OH的长期变化趋势尚未形成一致认识：部分研究认为，自20世纪80年代以来对流层OH浓度有所增加，另一些研究则认为其变化趋势并不显著。与此同时，尽管全球对流层臭氧自1850年以来已增加约40%，OH对这一变化的响应，特别是在北半球中纬度地区，仍缺乏可靠的定量约束和系统认识。

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基于观测模型的大气羟基自由基量化

为突破传统模型的局限，研究团队开发了一种基于观测的模型（OBM），成功量化了中国（2015–2023年）、欧洲和美国（1985–2023年）地表大气OH浓度的时空演变特征。该方法基于拉格朗日框架下的光化学年龄诊断原理，结合CO与NO₂观测数据，实现了小时尺度OH浓度的定量反演。结果显示，OBM估算值与实际观测及模型模拟数据具有较高的一致性（图1），充分证实了该方法在长期趋势分析中的稳健性与可靠性。

图1 代表性城市/地区的OBM OH浓度与以往观测数据比较

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大气羟基自由基正面临转折点：未来减排的新考量

结合历史观测资料，研究团队进一步综合运用基于观测的模型和化学盒子模型，系统量化了北半球中纬度地区人为排放对地表大气OH浓度的影响（图2）。结果表明，相较于清洁区域，中国、美国和欧洲的OH浓度提升了约300%，主要受人为NO_x排放驱动，清晰揭示了人为活动对大气氧化能力的显著增强。

不过，这种增长并不会无限持续。研究发现，在欧洲和美国，约10%的站点已经出现统计学显著的OH下降趋势，而约85%的站点仍保持上升；相比之下，中国的OH目前整体仍处于增长阶段。总体而言，北半球中纬度地区过去五六十年间的OH浓度大体稳定在(5–9)×10⁶ cm^-3的高值区间，表明该区域大气氧化能力长期维持在较强水平。研究进一步指出，随着未来NO_x持续减排，区域OH浓度有望逐步跨越临界点并进入NO_x受限阶段，届时其浓度将由高位稳定转入下降通道。这意味着，大气污染物以及甲烷等温室气体在空气中的停留时间可能延长，从而给未来区域空气质量管控和全球气候治理带来新的挑战。

图2 中国（a）、美国（b）和欧洲地区（c）的OH浓度对NO₂的响应关系。该研究将基于观测模型（OBM）估算的午间（11:00–13:00 LT）OH浓度分别与化学箱式模型模拟结果、实测数据进行对比。

亮点

该研究首次揭示，北半球中纬度地区的大气氧化能力可能正处于关键转折阶段。基于观测的模型为OH长期变化提供了较传统模型更为可靠的表征，弥补了区域尺度上定量评估人为排放对OH影响的不足，也为区域空气污染防治与气候变化协同应对提供了新的科学依据。

论文第一作者为北京大学博士后韦丽艳，通讯作者为暨南大学刘润副研究员和北京大学陆克定教授。合作者包括暨南大学刘绍臣院士，北京大学张远航院士、谭照峰研究员、马雪飞副研究员、周明博士、博士生魏文玉，暨南大学硕士生张靖雯。

该研究得到青年科学基金项目（A类）（原国家杰出青年科学基金项目）（22325601）和国家重点研发计划项目（2023YFC3706100）的共同资助。