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PM2.5與臭氧“按下葫蘆浮起瓢”?這可咋整|深度

2019-11-02 16:17:17 來源:中國氣象報

通過持續治理,令人呼吸困難的PM2.5污染已經有了明顯好轉。

但如同那句俗話“按下葫蘆浮起瓢”——臭氧污染卻在悄無聲息地抬頭。

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一項研究發現,高濃度的PM2.5會抑制臭氧污染,而隨著PM2.5濃度逐漸降低,對臭氧污染的控制更應受到重視。

如何協同治理PM2.5與臭氧污染?我們應采取什么樣的策略?

本期嘉賓:哈佛-南信大空氣質量和氣候聯合實驗室研究團隊

PM2.5受控 臭氧抬頭

回望2013年,國務院出臺《大氣污染防治行動計劃》,提出了到2017年可吸入顆粒物濃度的控制目標,北京、上海等多個城市隨即出臺《清潔空氣行動計劃》(2013-2017)。

一場聲勢浩大的對PM2.5的圍剿隨之展開。這一行動將PM2.5定位為對公眾健康的最緊急威脅,其主要控制排放的重點是燃煤產生的一次顆粒物和二氧化硫(SO2)。

如今五年早已過去,今天,我國城市地區的PM2.5濃度下降了30-40%,可謂成果顯著。

但與此同時,地表臭氧濃度卻一再增加。

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2018年5月全國367個臭氧監測城市8小時滑動平均超標天數分布圖(數據來自生態環境部)

臭氧污染對人體健康、植被、農作物和建筑物均造成了不同程度的不良影響。

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圖解由新華網數據新聞部與中國氣象網聯合出品

空氣中的臭氧主要來自氮氧化物(NOx)和揮發性有機化合物(VOCs)的光化學氧化。

2013-2017年期間,中國人為排放的氮氧化物減少了20%,而揮發性有機化合物的排放增加了2%。顯然,僅有排放趨勢不能解釋臭氧的增加。

研究者將目光聚集了到PM2.5的下降上,使用數值模型模擬后,他們發現,臭氧的增加可能與PM2.5的降低有關,因為PM2.5會清除超氧化氫(HO2)和氮氧化物NOx自由基,阻止它們產生臭氧。

高濃度PM2.5抑制臭氧污染

這項研究由哈佛-南信大空氣質量和氣候聯合實驗室完成,近日在《自然-地球科學》期刊上在線發表。

為了驗證PM2.5抑制臭氧產生這一觀點,研究人員選取了2013年至2017年開展清潔空氣行動的四個特大城市群:華北平原(106個站點)、長三角(84個站點)、珠江三角洲(66個站點)和四川盆地(71個站點)。

在觀測數據中,臭氧與PM2.5濃度通常呈正相關。這種正相關性是污染地區夏季觀測的典型特征。因為夏季臭氧和PM2.5污染增長所需的氣象條件類似。

不過,論文第一作者李柯發現——

華北平原的PM2.5增加到大約100微克每立方米,臭氧水平穩定在80ppb(1ppb=十億分之一)左右。

而當去除PM2.5對化學和光解的影響后,臭氧水平達到110ppb時才會穩定下來。

當PM2.5超過80微克每立方米時,相對于無PM2.5的條件,它可以抑制約25ppb的臭氧。

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(縱軸是日最大8小時平均臭氧濃度,橫軸是24小時平均PM2.5濃度。左圖為2013-2018年監測到的四個特大城市群中臭氧濃度與PM2.5的關系。右圖為模擬的去除了PM2.5光解速率、NOx吸收和HO2吸收影響后,2016年至2017年華北平原臭氧與PM2.5關系。)

研究人員在模型中進行了進一步的敏感性實驗,以分離出PM2.5對臭氧的不同影響。PM2.5對臭氧的最大影響來自吸收HO2,其次是吸收NOx。PM2.5對HO2自由基和NOx進行了非均相吸收,抑制了臭氧的化學生成。

減排應更具策略性

抑制臭氧污染的手段,就是對NOx和VOCs進行排放控制。而了解了PM2.5對臭氧生成的影響,就可以使這種減排目標制定更科學、更具策略性。

簡單地說,由于PM2.5對HO2和NOx的吸收,臭氧對NOx減排的敏感性降低。即對于控制臭氧而言,限制排放NOx就不再那么有效,因此更需要控制VOCs的排放。

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根據生態環境部新的《清潔空氣行動計劃》(2018–2020年),相對于2017年,2020年的PM2.5濃度、NOx和VOCs排放量需要降低8%、9%和10%。

考慮到過去五年,PM2.5快速降低造成華北地區臭氧增加約1ppb/年,那么如果該目標實現,在降低PM2.5的同時,臭氧污染會受到怎樣的影響呢?

對華北地區模擬研究表明,在氣象條件不變的前提下,到2020年的目標實現后,降低PM2.5濃度、減排NOx和VOCs會導致華北地區平均夏季臭氧濃度分別增加0.6ppb、減少0.5ppb和減少1ppb。

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(紅色三角、綠色三角、藍色三角、黑色圓心的趨勢分別表示PM2.5濃度降低8%、NOx濃度降低9%、VOCs降低10%以及以上減排都實現后,臭氧濃度的變化趨勢。)

這表明僅僅減排NOx不足以抵消PM2.5濃度下降帶來的臭氧濃度增加,只有同時減排NOx和VOCs,才能有效遏制臭氧濃度上升的趨勢。

特別是在PM2.5濃度相對較高時,其下降造成的臭氧濃度上升更加明顯,此時減排VOCs更加有效。

近期研究表明,我國的VOCs排放量仍處在上升態勢。

未來,唯有同時減排NOx和VOCs,特別是減排能同時形成臭氧和二次有機氣溶膠的高活性芳香烴VOCs,才能夠更有效地實現霾和臭氧治理的雙贏!

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