臭氧污染已成为继 PM2.5 之后影响我国城市空气质量的重要环境问题。近年来，北京市在臭氧治理方面投入了大量努力，而2021年夏季的观测数据呈现出一个值得深入探讨的现象：臭氧浓度在经历近十年最低值后，随即又快速回升至高位。这一“转折”究竟是减排政策的成效显现，还是气象条件的短暂影响？针对这一关键科学问题，北京城市气象研究院张自银研究员与团队联合开展研究，首次系统揭示了2021年臭氧“转折”背后的驱动机制。

1. 研究方法

研究人员基于2014–2024年长期观测数据，综合运用机器学习模型（XGB、RF、LSTM）和高分辨率 WRF-Chem 数值模拟，构建了“数据驱动+过程模拟”双轨验证框架。为严格分离气象与排放的贡献，团队采用了“留一年交叉验证”（LOYOCV）策略训练模型，确保预测不受当年数据干扰；同时设计固定排放敏感性模拟试验，使用相同排放清单模拟2018年（高臭氧年）与2021年（转折年），从而从物理机制上分离、量化气象条件的影响。

2. 核心发现

（1）机器学习重建成功复现“转折”特征。 仅用气象数据驱动的臭氧重建序列，准确捕捉了2021年的浓度低谷及后续反弹趋势，表明气象条件的变化是造成该转折现象的主要驱动力，而非人为排放长期趋势的直接影响。

（2） 固定排放试验证实气象主导作用。 在相同人为排放条件下，2018年与2021年的气象差异可导致臭氧浓度变化12-16 µg/m³，该结果与基于气象的重建序列相互印证，共同表明气象条件的年际变异是造成“转折”现象的关键驱动因素。

（3）过程解析揭示关键物理机制。过程分析表明，在高温、强太阳辐射与偏南气流（有利于河北等地上游前体物向北京输送）的共同作用下，“燃料”与“光热”条件叠加，可显著提升北京地区光化学生产能力，导致臭氧浓度增幅超过20 μg/m³，明显超过同期通风稀释的清除效应。相反，在类似2021年的气象条件下，该过程被有效抑制，从而显著遏制了北京臭氧浓度的升高。

（4）大尺度气候背景的深层解释。2021年夏季，受大西洋海温异常和北极海冰减少影响，欧亚罗斯贝波列将太平洋水汽输送至京津冀地区，出现持续“低温、少光、多雨”的气象条件，显著抑制了臭氧光化学生成。这一不利于臭氧形成的气象背景是2021年臭氧低谷的根本原因。

3. 结论与建议

该研究科学解释了2021年北京臭氧“转折”的气象驱动本质，凸显了气象变异在年际臭氧波动中的主导作用，同时揭示了边界层内热力-动力-化学耦合过程在污染物传输与转化中的关键角色。研究进一步提出“气象感知型动态管控”策略：通过机器学习模型耦合中期天气预报建立预警系统，在不利气象条件来临前实施短期应急减排，将静态排放目标转化为动态应对能力，为京津冀地区臭氧精准治理提供了科学支撑。

4. 成果信息

以上成果近期已在国际期刊 Urban Climate 发表，原文链接： https://doi.org/10.1016/j.uclim.2026.102882

如需进一步了解研究详情或合作交流，欢迎联系北京城市气象研究院科研团队。

图1 北京夏季臭氧MDA8的年际变化：观测与气象驱动重建结果对比

（a）观测及三种气象驱动机器学习模型重建5-7 月平均 MDA8浓度；（b）相较于 2021 年基准值的相对变化。