DOI: https://doi.org/10.5194/acp-26-2623-2026
تاريخ النشر: 2026-02-18
المؤلف: Nadia K. Colombi وآخرون
الموضوع الرئيسي: كيمياء الغلاف الجوي والهباء الجوي
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في المستويات المرتفعة من الأوزون الحر في الطبقة التروبوسفيرية (750-350 هكتوباسكال) فوق شرق آسيا، وخاصة في كوريا الجنوبية والصين، خلال مايو-يونيو، منسوبة الزيادات الكبيرة في تلوث الأوزون السطحي إلى التأثيرات الستراتوسفيرية. باستخدام ملاحظات الطائرات من IAGOS ونموذج GEOS-Chem، تكشف الدراسة أن تركيزات الأوزون الحر في الطبقة التروبوسفيرية في هذه المنطقة هي الأعلى على مستوى العالم، حيث ارتفعت من $68 \pm 3 \text{ ppb}$ في 2000-2004 إلى $78 \pm 4 \text{ ppb}$ في 2015-2019. تشير النتائج إلى أن النزول الستراتوسفيرى يساهم بحوالي 30% من الأوزون الحر في الطبقة التروبوسفيرية و12% من أوزون طبقة الحدود الكوكبية (PBL) خلال هذه الفترة، مع زيادة ملحوظة بنسبة 40% في النزول الستراتوسفيرى مرتبط بتقوية تيار النفاث.
تخلص الدراسة إلى أن التأثير الستراتوسفيرى المستمر والمتزايد على الأوزون الحر في الطبقة التروبوسفيرية يرفع بشكل كبير من مستويات الأوزون السطحي الخلفية، مما يعقد الجهود لتحقيق معيار جودة الهواء البالغ 60 ppb في كوريا الجنوبية. على الرغم من الخلفية الطبيعية المرتفعة، غالبًا ما تتجاوز مستويات الأوزون السطحي 80 ppb، مما يشير إلى أن التخفيضات المستهدفة في انبعاثات أكاسيد النيتروجين (NOx) والمركبات العضوية المتطايرة (VOCs) قد توفر استراتيجية قابلة للتطبيق لتحسين جودة الهواء في المنطقة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الزيادة المقلقة في تركيزات الأوزون السطحي في الصين وكوريا الجنوبية، والتي تعد من بين الأعلى على مستوى العالم وقد استمرت على الرغم من تدابير التحكم الصارمة في الانبعاثات التي نجحت في تقليل مستويات الجسيمات الدقيقة (PM2.5). من الجدير بالذكر أن الأوزون السطحي غالبًا ما يتجاوز معايير جودة الهواء الوطنية، مما يستلزم فهمًا أعمق لكل من الانبعاثات الإقليمية والتأثيرات الخلفية لوضع استراتيجيات فعالة لتحسين جودة الهواء. الأوزون الخلفي، الذي يتأثر بشكل أساسي بالنزول من الطبقة التروبوسفيرية، مرتفع بشكل خاص خلال مايو ويونيو، مع دراسات حديثة تشير إلى أن هذه الذروة الموسمية يمكن أن تتجاوز 50 ppb في شرق آسيا، وهو ما يزيد بشكل كبير عن 20-40 ppb التي لوحظت في أمريكا الشمالية وأوروبا.
كشفت حملة الطائرات KORUS-AQ في 2016 عن تركيزات الأوزون الحر في الطبقة التروبوسفيرية التي تتجاوز 80 ppb فوق شبه الجزيرة الكورية، مما يبرز الدور الحاسم للأوزون الخلفي المرتفع في المساهمة في مستويات السطح. قد يُعزى هذا الارتفاع في الأوزون الخلفي إلى عوامل متعددة، بما في ذلك التأثيرات الستراتوسفيرية، والبرق، والتلوث عبر الحدود. تهدف الدراسة إلى التحقيق في المصادر التي تدفع التغيرات الموسمية وطويلة الأجل في الأوزون الحر في الطبقة التروبوسفيرية فوق شرق آسيا، باستخدام العلاقة بين الأوزون وأول أكسيد الكربون (CO) لتمييز بين المساهمات البشرية والطبيعية. بالإضافة إلى ذلك، تستخدم الدراسة نموذج GEOS-Chem العالمي للنقل الكيميائي ثلاثي الأبعاد لتحديد مصادر الأوزون الحر في الطبقة التروبوسفيرية وتحليل الاتجاه التصاعدي الملحوظ.
مناقشة
تبحث الدراسة في الأنماط الموسمية والاتجاهات للأوزون الحر في الطبقة التروبوسفيرية (O₃) في شرق آسيا وأوروبا والولايات المتحدة، باستخدام بيانات من الطائرات العاملة في نظام المراقبة العالمي (IAGOS). تكشف الدراسة أنه بينما تبقى مستويات الأوزون في أوروبا والولايات المتحدة مستقرة، تشهد شرق آسيا زيادة كبيرة في تركيزات الأوزون، خاصة في ذروتها خلال مايو-يونيو، مع زيادة قدرها 10.5 ppb تتجاوز التباين بين السنوات. تشير النتائج إلى أن الأوزون الحر في الطبقة التروبوسفيرية في شرق آسيا عمومًا أعلى من المناطق الأخرى، باستثناء خلال موسم الرياح الموسمية الصيفية الآسيوية، الذي يخفض مستويات الأوزون بسبب تدفق الهواء البحري النظيف. تشير تحليل القياسات المتزامنة للأوزون وأول أكسيد الكربون (CO) إلى تأثير ستراتوسفيرى قوي على مستويات الأوزون في شرق آسيا، خاصة خلال مايو-يونيو، والتي تتميز بوجود علاقة سلبية فريدة بين الأوزون وCO.
باستخدام نموذج GEOS-Chem للنقل الكيميائي، تنسب الدراسة 30% من الأوزون الحر في الطبقة التروبوسفيرية في شرق آسيا إلى الإنتاج الستراتوسفيرى، مع زيادة ملحوظة في التأثير الستراتوسفيرى من 2000-2004 إلى 2015-2019، مرتبطة بتقوية تيار النفاث. يُفترض أن هذه الزيادة في النزول الستراتوسفيرى تساهم في ارتفاع مستويات الأوزون الخلفية التي تفاقم تلوث الأوزون السطحي في المنطقة. تشير النتائج إلى أنه على الرغم من الجهود المبذولة للسيطرة على الانبعاثات، قد يكون من الصعب تحقيق معايير جودة الهواء في كوريا الجنوبية بسبب الخلفية الطبيعية المرتفعة للأوزون. تؤكد الدراسة على الحاجة إلى تخفيضات مستهدفة في أكاسيد النيتروجين (NOₓ) والمركبات العضوية المتطايرة (VOCs) لتحسين جودة الهواء، خاصة خلال أشهر ذروة الأوزون.
DOI: https://doi.org/10.5194/acp-26-2623-2026
Publication Date: 2026-02-18
Author(s): Nadia K. Colombi et al.
Primary Topic: Atmospheric chemistry and aerosols
Overview
This research investigates the elevated levels of free tropospheric ozone (750-350 hPa) over East Asia, particularly in South Korea and China, during May-June, attributing significant increases in surface ozone pollution to stratospheric influences. Utilizing IAGOS aircraft observations and the GEOS-Chem model, the study reveals that free tropospheric ozone concentrations in this region are the highest globally, rising from $68 \pm 3 \text{ ppb}$ in 2000-2004 to $78 \pm 4 \text{ ppb}$ in 2015-2019. The findings indicate that stratospheric downwelling contributes approximately 30% of the free tropospheric ozone and 12% of the planetary boundary layer (PBL) ozone during this period, with a notable 40% increase in stratospheric downwelling linked to a strengthening jet stream.
The study concludes that the persistent and increasing stratospheric influence on free tropospheric ozone significantly elevates the background levels of surface ozone, complicating efforts to meet the 60 ppb air quality standard in South Korea. Despite the elevated natural background, surface ozone levels often exceed 80 ppb, suggesting that targeted reductions in nitrogen oxides (NOx) and volatile organic compounds (VOCs) emissions could provide a viable strategy for improving air quality in the region.
Introduction
The introduction highlights the alarming rise in surface ozone concentrations in China and South Korea, which are among the highest globally and have persisted despite stringent emission control measures that have successfully reduced fine particulate matter (PM2.5) levels. Notably, surface ozone frequently surpasses national air quality standards, necessitating a deeper understanding of both regional emissions and background influences to formulate effective air quality improvement strategies. The background ozone, primarily influenced by subsidence from the free troposphere, is particularly elevated during May and June, with recent studies indicating that this seasonal peak can exceed 50 ppb in East Asia, significantly higher than the 20-40 ppb observed in North America and Europe.
The KORUS-AQ aircraft campaign in 2016 revealed free tropospheric ozone concentrations exceeding 80 ppb over the Korean peninsula, underscoring the critical role of elevated background ozone in contributing to surface levels. This increase in background ozone may be attributed to various factors, including stratospheric influences, lightning, and transboundary pollution. The research aims to investigate the sources driving the seasonal and long-term changes in free tropospheric ozone over East Asia, utilizing the relationship between ozone and carbon monoxide (CO) to distinguish between anthropogenic and natural contributions. Additionally, the study employs the GEOS-Chem global 3-D chemical transport model to identify the sources of free tropospheric ozone and analyze the observed upward trend.
Discussion
The research investigates the seasonal patterns and trends of free tropospheric ozone (O₃) in East Asia, Europe, and the United States, utilizing data from the In-Service Aircraft for a Global Observing System (IAGOS). The study reveals that while ozone levels in Europe and the United States remain stable, East Asia experiences a significant increase in ozone concentrations, particularly peaking in May-June, with an increase of 10.5 ppb that surpasses interannual variability. The findings indicate that free tropospheric ozone in East Asia is generally higher than in the other regions, except during the Asian summer monsoon, which lowers ozone levels due to clean marine inflow. The analysis of collocated measurements of ozone and carbon monoxide (CO) suggests a strong stratospheric influence on ozone levels in East Asia, particularly during May-June, characterized by a unique negative correlation between ozone and CO.
Using the GEOS-Chem chemical transport model, the study attributes 30% of the free tropospheric ozone in East Asia to stratospheric production, with a notable increase in stratospheric influence from 2000-2004 to 2015-2019, linked to a strengthening jet stream. This increase in stratospheric downwelling is posited to contribute to the elevated background ozone levels that exacerbate surface ozone pollution in the region. The results imply that despite efforts to control emissions, meeting air quality standards in South Korea may be challenging due to the elevated natural background of ozone. The study emphasizes the need for targeted reductions in nitrogen oxides (NOₓ) and volatile organic compounds (VOCs) to improve air quality, particularly during peak ozone months.