一、研究背景

近年来，我国在大气污染治理，特别是细颗粒物（PM2.5）污染防治方面取得了举世瞩目的成就。然而，以臭氧（O₃）为主要污染物的光化学烟雾污染问题日益凸显，已成为制约我国空气质量持续改善的关键瓶颈和重大挑战，其严峻性和复杂性不容忽视。国家环境空气质量监测网络数据显示，我国重点区域（如京津冀、长三角、珠三角等）近地面环境空气中O₃日最大8小时平均浓度（O₃-8h）长期维持在140微克/立方米左右的高位水平，远超国家《环境空气质量标准》（GB 3095-2012）二级浓度限值（160微克/立方米），且在夏季频繁出现超标现象。部分城市在不利气象条件下，O₃峰值浓度甚至可突破200微克/立方米，对公众健康构成严重威胁。尽管PM2.5浓度呈现显著下降趋势，但O₃污染浓度居高不下甚至部分区域、部分时段呈现波动上升态势，这种“此消彼长”的现象深刻反映了我国大气复合污染治理进入深水区的复杂局面。

臭氧污染的治理难度远高于一次污染物，其核心原因在于臭氧本身是典型的二次污染物。它并非直接排放产生，而是由前体物——氮氧化物（NOx）和挥发性有机物（VOCs）——在强烈太阳光（尤其是紫外辐射）的驱动下，经历一系列复杂的光化学反应在大气中生成的。这种二次生成的本质决定了臭氧污染的治理具有显著的复杂性、区域性和非线性特征。当前臭氧污染治理效果未能达到预期目标的深层次原因主要在于：

1.成因机理认知不足： 臭氧的生成效率高度依赖于前体物（NOx与VOCs）的浓度比例、复杂的自由基化学循环（HOₓ自由基链反应）、气象条件（太阳辐射强度、温度、湿度、风速、混合层高度）、以及与其他污染物（如颗粒物）的相互作用。NOx与VOCs对臭氧生成的敏感性（即臭氧生成处于NOx控制区还是VOC控制区）存在显著的区域和时间差异，且存在阈值效应和非线性响应关系。例如，在高NOx浓度环境下，NO分子会通过“滴定反应”（NO + O₃ → NO₂ + O₂）消耗臭氧；而在VOCs相对丰富、NOx浓度适中的区域，光化学反应链得以高效运行，导致臭氧大量累积。这种复杂的非线性机制使得单纯削减某一种前体物可能无法有效降低臭氧浓度，甚至可能适得其反。

2.前体物来源多样复杂： NOx主要来源于化石燃料的高温燃烧过程，移动源（机动车、船舶、非道路移动机械等）和固定源（电力、钢铁、水泥、玻璃等行业）贡献巨大。VOCs的来源则更为广泛和分散，包括工业过程（石油化工、有机化工、表面涂装、包装印刷、溶剂使用等）、移动源（尾气蒸发）、生活源（建筑装饰、餐饮油烟、干洗、日化产品使用）、以及重要的天然源（植被排放，尤其是异戊二烯、单萜烯等）。源清单的精准构建、重点源的识别以及不同源类排放的VOCs组分特征（活性差异巨大）解析存在巨大挑战。

3.气象条件的关键驱动与放大作用： 光化学反应速率与太阳辐射强度（特别是紫外辐射UV-B波段）呈指数相关。夏季高温、强日照、低风速、低湿度、以及较高的混合层高度（虽有利于垂直扩散，但常伴随静稳天气导致水平扩散受阻）等气象条件组合，为臭氧的生成和累积提供了极为有利的外部环境。气象背景的年际、年代际变化趋势也对臭氧污染的年际波动产生显著影响。臭氧及其前体物具有较强的区域传输特性，一个地区的臭氧污染往往是本地生成和区域输送共同作用的结果，这大大增加了治理的难度。

4.协同控制体系亟待完善： 针对臭氧污染的区域性特征，建立高效的区域联防联控机制至关重要。目前，在统一规划、统一标准、统一监测、统一执法、统一减排措施等方面仍存在诸多障碍。PM₂.₅与O₃的协同控制（“双控双减”）策略需要更深入的科学支撑。臭氧治理涉及能源、工业、交通、农业、生活等多个部门，政策措施的协调性、精准性和系统性有待提高。同时，针对快速变化的臭氧污染态势的动态调控能力有待加强。

因此，深入剖析我国典型区域大气臭氧污染的成因机制，尤其是厘清不同区域、不同时段臭氧生成的关键驱动因子和前体物敏感性，探索高效可行的NOx与VOCs协同减排优化路径，是突破当前臭氧污染治理困境、实现空气质量持续改善的迫切需求和科学基础。

二、研究意义

开展大气臭氧污染成因分析及前体物协同减排路径探索研究，具有重大的理论价值、实践意义和社会效益：

（一）深化臭氧污染成因科学认知，完善大气化学理论：

1.本研究将系统集成气象条件、前体物排放（浓度、成分谱、时空分布）、自由基化学、气溶胶影响等多维要素，深入揭示特定区域（如重点城市群）臭氧生成的物理化学机制和关键控制因子。

2.通过高分辨观测（如在线VOCs组分、自由基、垂直廓线观测等）与先进的空气质量模型（如WRF-CMAQ， CAMx等）模拟相结合，精确量化不同排放源（工业点源、面源、移动源、天然源等）对臭氧生成的贡献率，并辨识臭氧生成的敏感区（VOCs控制区、NOx控制区或过渡区）及其时空演变规律。

3.探索臭氧与前体物（NOx, VOCs）之间复杂的非线性响应关系，以及臭氧与PM2.5、大气边界层过程的耦合作用机理，为理解区域复合污染形成提供更坚实的科学基础，丰富和发展大气光化学污染理论体系。

（二）为精准、科学、有效的臭氧污染防治提供决策支撑：

1.研究成果将直接服务于国家和地方臭氧污染防治政策的制定与优化。通过对臭氧污染成因的精细化解析，识别臭氧污染的关键驱动区域、关键驱动行业和关键驱动物种（高活性VOCs物种），为制定“一地一策”、“一企一策”的差异化、精准化管控措施提供科学依据，避免“一刀切”式的低效减排。

2.重点研究NOx与VOCs的协同减排路径与优化策略，评估不同减排情景（不同比例、不同行业侧重、不同时间尺度）对臭氧浓度的改善效果及成本效益。这将为决策者设计最优的臭氧前体物协同减排方案，明确中长期减排目标和技术路线图提供核心支撑，显著提升污染治理措施的针对性和有效性。

（三）推动区域联防联控机制深化，助力“双碳”目标协同：

1.臭氧污染具有显著的跨区域传输特征。本研究将定量评估区域间臭氧及其前体物的传输贡献，揭示区域传输通道和关键源区影响，为建立和完善更加科学、高效的区域大气污染联防联控机制提供实证依据，促进跨行政区域的统一规划、统一标准和协同行动。

2.臭氧前体物NOx和VOCs的主要来源（能源、工业、交通）同时也是温室气体和主要大气污染物（如SO₂, PM₂.₅）的重要排放源。探索NOx和VOCs的协同减排路径，本质上也是推动能源结构优化、产业结构调整、交通运输绿色低碳转型的过程。因此，本研究成果将为协同推进减污降碳、助力国家“碳达峰、碳中和”战略目标的实现提供重要的协同路径和技术选项。

（四）保障公众健康和生态环境安全：

1.地面高浓度臭氧对人体呼吸系统（如引发哮喘、肺功能下降）、心血管系统具有明确的危害，并对农作物、森林等生态系统造成显著损害（如叶片损伤、光合作用抑制、作物减产）。有效控制臭氧污染是保障人民群众身体健康、维护生态安全和生物多样性的必然要求。

2.通过本研究提出的科学防控策略和精准减排路径，有望显著降低环境空气中臭氧浓度峰值和超标频率，减少臭氧污染对敏感人群（儿童、老人、户外工作者）的健康风险和对农业、森林等生态系统的负面效应，具有显著的社会福祉和生态效益。

（五）促进环保科技创新与产业升级：

1.对臭氧成因和前体物减排路径的深入研究，将催生对精准监测（如高活性VOCs物种在线监测、自由基探测）、源解析技术、高效污染治理技术（如低温高效脱硝技术、复杂废气VOCs全过程控制技术、生物酶催化臭氧分解技术）、空气质量精细化预报预警技术、以及多污染物协同控制技术的迫切需求。

2.推动相关环保技术的研发、应用和产业化，引导工业企业和交通运输部门采用更清洁的生产工艺、燃料和污染控制技术，从而带动环保产业的技术进步和升级，形成新的经济增长点。

三、研究内容

本课题将围绕“大气臭氧污染成因分析及前体物协同减排路径探索”这一核心目标，系统开展以下研究内容：

（一）典型区域大气臭氧污染特征精细化解析：

1.多尺度时空分布规律： 基于长期、高频次的环境空气质量监测数据（国控、省控、市控站点），结合地基遥感、走航观测、垂直探测（如臭氧激光雷达）等多源数据，系统分析目标研究区域（如选定一个代表性城市群或重点区域）臭氧浓度的日变化、周变化、季节变化、年际变化特征及其主导影响因素（气象、排放变化）。重点刻画臭氧污染的“热点”区域（如城市下风向、交通枢纽、工业集聚区）和高发时段。

2.臭氧污染事件诊断识别： 建立臭氧污染事件识别指标体系及成因分类方法（如本地光化学生成主导型、区域传输主导型、复合污染累积型等）。针对典型重污染过程，利用观测和再分析数据，详细剖析其气象背景场特征（高压系统、静稳天气、高温低湿、强辐射）、边界层结构演变、前体物浓度变化轨迹及区域传输通道。

（二）臭氧污染形成的多维度驱动机制研究：

1.气象驱动因子定量评估： 量化太阳辐射强度（特别是UV辐射）、温度、湿度、风速风向、降水、混合层高度等关键气象要素对臭氧生成速率、峰值浓度及持续时间的影响程度及贡献率。探讨极端天气事件（如持续高温热浪、静稳天气）对臭氧污染的放大效应。

2.前体物排放清单构建与动态更新： 整合多源数据（统计年鉴、企业排放报表、交通流量、卫星遥感反演等），建立目标区域高分辨率、高时效性、组分详细的NOx和VOCs（按物种活性分组，如烷烃、烯烃、芳香烃、醛酮类等）排放清单。评估主要源类（电力、工业锅炉、工艺过程源、移动源、溶剂使用源、生物源等）的贡献及排放特征时空变化。

3.臭氧生成化学机制与敏感性分析：

利用基于观测的模型（OBM， 如EKMA曲线、PBM模型）和空气质量模型（CMAQ/CAMx等）的光化学指示剂工具（如OH反应性、臭氧生成潜势OFP、相对增量反应性RIR），定量评估不同VOCs物种对臭氧生成的贡献，识别关键活性VOCs组分及其主要来源。

通过情景模拟和敏感性试验（如零排放法、源示踪法），精确量化不同排放源类（电力、工业、交通、溶剂、生物源等）对区域臭氧浓度的直接贡献和间接影响（通过改变自由基浓度和前体物比例）。

系统研究目标区域不同时空尺度下臭氧生成的敏感性（NOx控制区、VOC控制区或过渡区），绘制臭氧生成敏感性分区图谱，揭示其动态变化规律（日变化、季节性变化、区域差异）。

4.臭氧与PM2.5的相互作用研究： 探讨气溶胶（PM2.5）通过辐射效应（散射/吸收太阳辐射影响光解速率）、异相化学反应清除自由基等途径对臭氧生成产生的抑制或促进作用。分析臭氧污染与PM2.5污染在特定气象条件下的耦合关系。

（三）NOx与VOCs协同减排路径优化与效果评估：

1.减排情景设计与模型模拟： 基于前述成因机制和敏感性分析结果，设计一系列具有针对性和可行性的NOx和VOCs协同减排情景。情景设置考虑：

不同的减排比例组合（如等比例削减、差异化比例削减、侧重NOx或VOCs削减）。

针对不同源类的优先控制顺序（如重点控制高活性VOCs排放的溶剂使用源、移动源，或大型燃煤电厂、工业锅炉的NOx深度治理）。

区域协同减排策略（区域内统一比例削减、重点源区强化减排）。

结合“双碳”目标，设计低碳导向的协同减排路径（如交通电动化替代、工业能源结构清洁化）。

2.空气质量模型情景模拟： 利用已校验的空气质量模型（WRF-CMAQ/CAMx），模拟不同协同减排情景下，目标区域臭氧浓度的时空变化、超标天数减少幅度、峰值浓度下降程度等。评估减排措施对臭氧浓度的改善效果及其时效性。

3.减排效益与成本评估： 结合工程减排成本数据（如脱硝、VOCs治理设施的投资与运行成本）、环境健康效益评估模型等方法，对不同协同减排路径进行成本-效益分析、成本-效果分析。识别成本效益最优、环境效益显著的优先减排策略组合。

（四）大气臭氧污染防控对策与协同治理机制研究：

1.精准管控策略： 依据臭氧生成敏感性分区结果和高活性VOCs物种来源解析，提出差异化的区域和行业管控措施建议。例如，在NOx控制区强化NOx深度减排，在VOC控制区重点削减高活性VOCs物种排放；对溶剂使用源推广低VOCs含量原辅材料，对移动源加速新能源替代和尾气治理升级。

2.动态调控与预报预警支撑： 研究如何将臭氧成因敏感性识别结果应用于臭氧污染短期预报预警和应急动态调控。探索基于气象条件和前体物浓度的臭氧超标风险快速预判方法，为实施精细化、差异化的应急减排措施提供科学依据（如针对高活性VOCs的重点行业错峰生产）。

3.强化区域协同治理： 提出深化区域联防联控机制的具体建议，包括统一重点行业排放标准、建立跨区域前体物排放协调减排目标和方案、完善区域空气质量监测网络与数据共享平台、建立跨区域应急联动响应机制等。

4.技术创新与管理优化建议： 结合减排路径评估结果，提出推动高效低成本脱硝技术、复杂VOCs废气高效治理技术（如分子筛转轮+RTO/RCO、生物处理、催化燃烧）、臭氧催化分解技术（如生物酶催化）等研发和应用的政策建议。探索基于市场的环境经济政策（如VOCs排污收费、排放权交易）在促进协同减排中的作用。提出加强天然源VOCs（如城市绿化树种选择优化）管理的建议。

本课题研究内容层层递进，从现象特征描述到内在机理剖析，再到减排路径设计与评估，最终落脚于防控对策提出，形成一个完整的研究闭环，旨在为解决当前突出的臭氧污染问题提供坚实的科学基础和切实可行的解决方案。研究将综合运用环境科学、大气物理化学、环境工程、环境管理等多学科理论和方法，强化观测数据、模型模拟与政策研究的深度融合。