对流层臭氧（O₃）是大气污染物之一，主要来源为对流层内O₃前体物的光化学反应，而通过平流层入侵过程输送的O₃在对流层O₃中也占有相当的比例，大约在5%–15%之间，但是这些平流层O₃有多少能够最终到达近地面，目前研究甚少，因此来自平流层O₃这一天然源在地面O₃污染中的作用和传输机理尚不明确。

近期中国科学院大气物理所郄秀书团队同福建师范大学陈志雄副教授（2020年大气所博士毕业）和柳竞先教授针对这些问题展开了系统研究，阐述了典型强天气过程中平流层空气团下沉到地面（简称SITS）的传输路径和对大气成分的影响，并基于地面观测资料构建了SITS识别算法，首次量化了我国近地面O₃污染中来自平流层O₃天然源的贡献。近年来，我国O₃浓度呈现增加趋势，这些研究将为O₃污染问题中气象因素的贡献（如平流层入侵）以及沙尘暴过程中空气质量变化提供新的视角。

平流层入侵在冬末春初发生频率高，并常和切断低压等气旋性环流相伴随。2021年春季，在强大的蒙古气旋作用下，强沙尘暴接连侵袭华北地区，研究团队发现在地面沙尘气溶胶迅速上升的过程中，地面O₃浓度异常升高。基于观测资料和轨迹模型发现，强沙尘暴过程中伴随出现了平流层气团入侵事件，平流层空气沿西北路径传入华北地区，在垂直方向上其高度不断降低并最终达到地表，使得地面O₃浓度平均升高5.6 ppbv，相对增幅达22%，而CO、NO₂和SO₂等气体浓度则为正常值的一半，从而揭示了春季蒙古气旋作用下伴随沙尘暴发生的平流层O₃入侵过程及其对地面大气成分的影响。

2021年夏季山东滨州人工引雷实验期间，研究团队还曾观测到了一次剧烈的平流层入侵过程。此次过程中，引雷站点观测显示在10分钟内O₃浓度升高了40-50 ppbv，并达到了污染量级，而CO浓度则剧烈降低，仅为背景浓度的一半。结合国家环境监测数据、气象探空、卫星资料以及中尺度WRF模式和轨迹模型，发现此次平流层入侵的发生受到台风和雷暴的共同作用，雷暴尾部入流将边界层顶的平流层气团携带至地面，实现了平流层气团接地的最后一步。

上述研究从个例分析的角度阐述了SITS对大气成分变化造成的影响。在更大的时空尺度上，针对SITS这类事件的时空分布特征及其影响还存在较大的不确定性。闪电气象学上发现闪电频数跃增（Lightning Jump）可以较好表征雷暴云突发增强带来的影响。以此为灵感，并结合已有的平流层个例研究特征，研究团队开发了利用地面O₃跃增和CO骤降构建了平流层入侵的识别算法，基于我国地面空气监测站点逐小时资料识别出SITS事件，首次量化了SITS事件的三个关键指标：发生频率、持续时间和入侵强度，在此基础上剖析了平流层O₃这一自然源对我国地面O₃浓度演变的短期和长期影响。

相关研究分别以Concurrence of high dust aerosol and stratosphere-intruded ozone pollution in super sandstorms为题发表在Science Bulletin，以Stratospheric influence on surface ozone pollution in China为题发表在Nature Communications，以Transport of substantial stratospheric ozone to the surface by a dying typhoon and shallow convection为题发表在ACP上。

图1 平流层空气团下沉到地面（简称SITS）概念图

上述研究由大气所和福建师范大学合作完成，论文第一作者为陈志雄副教授，大气所郄秀书究员和福建师范大学柳竞先教授为论文共同通讯作者，研究得到国家自然科学基金青年项目（42105079）和中国科学院中层大气和全球环境探测重点实验室LAGEO开放课题项目的资助。

原文地址：

1. Chen, Z., Liu, J.*, Qie, X. *, et al. Stratospheric influence on surface ozone pollution in China, Nature Communications, 2024. https://www.nature.com/articles/s41467-024-48406-x
2. Chen, Z., Liu, J. *, Qie, X. *, et al. Concurrence of high dust aerosol and stratosphere-intruded ozone pollution in super sandstorms, Science Bulletin, 2024. https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.04.046
3. Chen, Z., Liu, J. *, Qie, X. *, et al. Transport of substantial stratospheric ozone to the surface by a dying typhoon and shallow convection,Atmospheric Chemistry and Physics, 2022. https://doi.org/10.5194/acp-22-8221-2022