臭氧(O₃)作为对流层中关键的二次污染物，其生成与前体物转化、区域传输密切相关，对大气氧化能力和生态环境影响深远。探究北京城区 O₃生成效率（OPE）的变化特征及影响因素，对理解城市光化学污染机制、制定精准防控策略至关重要。近日，重点实验室林伟立教授团队与北京市气象局合作，在《Atmospheric Environment》上发表题为 “Enhanced insights into ozone production efficiency in urban Beijing: A comprehensive analysis of influencing factors” 的论文。该研究基于基于 2018 年 2 月至 2020 年 12 月北京城区（中央民族大学站点）近三年连续观测数据，系统分析了O₃时空变化特征与 OPE 季节差异，深入探究了 NO_x/VOCs 敏感性、区域传输、气团老化等因素对 O₃生成的综合影响。

如图1所示，在严格减排政策与新冠疫情期间人为活动减少的双重影响下，2020 年北京城区NO、NO_x、NO_y浓度较 2019 年分别下降 32%、26%、21%；O₃污染有所缓解——5 月、6 月、7 月、10 月O₃月均混合比分别降低 7.3、3.5、4.0 和1.2 ppbv，小时浓度超标率（阈值>81.6 ppbv）从 26% 降至 20%。但日最大 8 小时平均O₃（MDA8- O₃）仍频繁超标，且夏季为超标高发期——45.2% 的观测日MDA8-O₃浓度超过 51.0 ppbv 的国家标准， O₃污染防控仍需强化。

图1：中央民族大学（MUC）站点 2018-2020 年气象参数与污染物浓度的时间序列变化。(a) 温度与相对湿度；(b)气压；(c) O₃与NO₂；(d) NO_y与NO；(e) OPE。其中，(a)- (d)为 2018-2020 年 1 小时观测数据的 30 天滚动平均值；(e)为基于日尺度计算方法得到的日值数据

研究使用OPE指示剂法判断臭氧生成敏感性，以5分钟平均值按公式OPE=ΔO_x/ΔNO_z计算 OPE，共获得273个有效日数据（2018 年 81 天、2019 年 107 天、2020 年 85 天）。在O₃生成敏感性分类上，将 OPE<4 划分为 VOCs 限制型、OPE 4-7 划分为过渡型、OPE>7 划分为NO_x限制型。

OPE 年度变化呈显著季节特征（图2）：1月开始上升、6月达到峰值后下降，这与气团老化相关 —— 夏季 NO_x/NO_y比值最低（0.7），站点周边老化气团更多，有利于O₃生成。OPE 月均值介于 1.6-6.6 之间，6月最高（6.6±4.2）、1月最低（1.6±1.0），且城市、郊区和背景区域O₃生成敏感性存在差异，凸显北京OPE 存在显著时空变异性。

图2：(a)2018-2020年OPE的月均值；(b)2018-2020 年OPE的月度分布

通过洛伦兹曲线拟合（图3）分析，NO_x与OPE呈显著非线性关系（R²=0.94）：OPE 随NO_x升高先增后减，最大值对应NO_x浓度为4.6 ppbv：NOx低于此值时OPE 上升，高时则下降。不同 OPE 区间对应的NO_x浓度阈值：OPE<4 对应 NOₓ>8.8 ppbv、OPE 4-7 对应 2.6-8.8 ppbv、OPE>7 对应 < 2.6 ppbv。该临界值低于过往研究结果，表明北京O₃前体物排放管控成效显著。

图3：2018-2020 年NO_x与OPE值的洛伦兹拟合曲线

此外，6:00-19:00 O₃生成敏感性分析（图4）显示： NO_x多超过2.60 ppbv，NO_x限制型占比≤1%，O₃生成以 VOCs 限制型或过渡型为主；10:00 前以VOCs限制型为主，11:00后过渡型占比上升，14:00 达 44.6% 峰值（与O₃峰值同步）。这表明O₃浓度偏高时对NO_x更敏感，需加强此时段NO_x管控及NO_x与VOCs协同减排。OPE值范围 为 0.2-20.6（中位数 3.1），暖季显著高于冷季，且2019 年夏季 OPE 高于 2018年，说明北京城区O₃生成主要受NO_x-VOCs 过渡敏感区间影响。

图 4：2018-2020 年O₃生成敏感性统计结果。（a）基于OPE与NO_x的关系分类得到的 OPE 日变化趋势；（b）敏感性分类图，不同颜色代表不同季节的OPE值，其中虚线以上区域表示O₃生成对VOCs敏感，实线以下区域表示O₃生成对NO_x敏感

撰稿：高祎程；审校：林伟立，龙春林，李华