对流层O3污染一方面来自于自然界。其中，平流层O3入侵是重要途径之一，但其平均贡献不足10%，且主要影响的是对流层上部，对低海拔地区近地面O3的影响很小。其次，自然界产生的氮氧化物（NOx）（土壤、闪电等）与植物排放的挥发性有机物（VOCs，甲烷、萜烯类化合物）反应也会生成O3。对流层O3污染更重要的来源是人为源排放前体物的化学生成。人类活动排放了大量的NOx和VOCs，和天然源一起在环境中通过复杂的光化学反应生成O3。大气光化学反应生成O3的机理较为复杂，但是目前有关其机理的认识基本明确。下面这张示意图中，红色的“NOx循环”（主要由NOx参与）和绿色的“ROx”循环（主要由VOCs参与）相互作用，导致环境中O3积累、浓度上升。O3生成机制简化示意图（图源：Wang et al., 2017）
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O3污染是如何产生的？受什么因素影响？
环境空气中的O3浓度受到背景值、区域和局地化学生成、沉降以及化学去除的综合影响，攻关研究结果表明，O3污染的形成可以从前体物排放、化学转化、气象影响和三维传输等方面进行解析。城市（区域）O3污染成因概念图（图源：北京大学）前体物排放居于高位及其化学转化是O3污染的主因。排放清单研究表明，我国人为源VOCs排放主要来自机动车、工业涂装、建筑涂料与胶粘剂、石化、通用型防腐涂料、油品储运销、居民生活能源使用、生物质露天燃烧、焦化、印刷等，排放量在2600–2900万吨/年的范围内波动，天然源VOCs排放量与人为源排放几乎相当。NOx排放主要来自移动源、电力供热、钢铁、工业锅炉等人为源，排放量自2012年的峰值约2900万吨逐渐下降到2020年的约2200万吨。美国2020年人为源VOCs排放量约为1700万吨，NOx排放量约为800万吨，与之相比，我国VOCs和NOx排放量依然处于高位。化学机理研究显示，在城市层面上O3生成对人为源VOCs排放十分敏感，在区域层面上对于NOx和VOCs排放均比较敏感，在郊区等天然源VOCs排放高的区域通常对于NOx更为敏感。全国人为源VOCs（左）、天然源VOCs（中）和NOx（右）排放强度分布（数据来源：清华大学、中国环境科学研究院）2010-2020年全国人为源VOCs排放变化（图源：清华大学）气候与气象条件是O3污染形成的关键驱动因子。长期气候效应研究显示，气候变暖会引起全球O3浓度升高，在城市群及周边等人为活动影响显著的地区，由气候变化引起的温度每增加1摄氏度，O3增加0.4~4微克/立方米；在20–30年的时间尺度上，全球气候变化对我国重点区域夏季O3浓度变化的影响范围约为+1~+16微克/立方米。小风、高温、低湿、少雨、高日照时数是易导致O3超标的典型气象特征。从重点区域来看，气温、辐射和相对湿度是影响O3污染的最主要气象要素，但在不同区域，各类气象要素的重要性排序明显不同。从典型城市来看，对北京4~10月O3逐日变化影响最大的气象要素为温度；上海春秋季对O3逐日变化影响最大的气象要素是温度，夏季则是相对湿度。（a）气候变化和（b）人为排放变化导致的1980–2010年夏季O3浓度的变化（图源：Fu and Tai, 2015）三维立体传输是O3污染发生发展的重要影响因素。在垂直方向上看，近地层O3垂直交换具有普遍性，边界层垂直交换对地面O3浓度贡献约为19%~47%。在水平方向上看，由于O3在大气中的寿命（7–21天）比NOx（约1天）和活性VOCs（数小时）长很多，这就意味着O3能够比它的前体物传输长得多的距离。因此，大范围、跨区域（跨省）的O3污染输送通常以O3自身为主；短距离、相邻城市间的O3污染输送呈现O3及其前体物混合输送的特征。O3及其关键前体物的寿命和传输距离（图源：北京大学）O3污染的防治既是区域性难题也是全球性课题，作为对流层最重要的污染气体和温室气体之一，O3污染科学防控亟待在人类命运共同体理念下开展国际合作。我国作为全球主要的工业国和最大的市场之一，在减污降碳协同治理的过程中要积极发挥各方面的引领作用。