細顆粒物和臭氧協(xié)同監(jiān)測現(xiàn)狀與建議

瞿 淼，陳傳忠，吳 堅，胡天洋，于 勇，汪太明，柴文軒，刀 谞，張 鵬

1.湖南省長沙生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，湖南 長沙 410001 2.中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與控制重點實驗室，北京 100012

近年來，隨著污染防治攻堅戰(zhàn)不斷深入，我國環(huán)境空氣質(zhì)量得到明顯改善，但保持和鞏固改善成果還存在不少挑戰(zhàn)。從2020年主要污染物濃度來看，雖然細顆粒物等指標的濃度逐年下降，但全國337個地級以上城市中仍有37.1%的城市細顆粒物尚未達標。同時以臭氧為首要污染物的超標天數(shù)占總超標天數(shù)的37.1%，僅次于細顆粒物(占比51.0%)。在這種形勢下，做好細顆粒物和臭氧協(xié)同控制十分關(guān)鍵。黨的十九屆五中全會更是明確提出要“強化多污染物協(xié)同控制和區(qū)域協(xié)同治理，加強細顆粒物和臭氧協(xié)同控制”[1]。細顆粒物和臭氧的來源及形成機理十分復雜，在大氣中可以相互影響，不僅增加了改善環(huán)境空氣質(zhì)量的難度，也對相應的監(jiān)測支撐提出了更高要求[2-3]。本文梳理了我國細顆粒物和臭氧協(xié)同監(jiān)測工作的最新進展，分析了協(xié)同監(jiān)測還存在的不足，提出了進一步優(yōu)化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、加強技術(shù)方法研究、深化數(shù)據(jù)創(chuàng)新應用等方面的建議。

1 我國細顆粒物和臭氧協(xié)同監(jiān)測現(xiàn)狀

作為我國環(huán)境空氣質(zhì)量常規(guī)監(jiān)測指標，細顆粒物和臭氧納入了空氣質(zhì)量監(jiān)測國家網(wǎng)，開展24 h實時監(jiān)測。同時，為了滿足精準治污需要，近年來在大氣污染源解析、顆粒物組分與光化學監(jiān)測方面均開展了大量探索，積累了重要經(jīng)驗[4-6]。特別是自2020年生態(tài)環(huán)境部組織開展夏季臭氧污染防治監(jiān)督幫扶工作以來，各地加大了細顆粒和臭氧協(xié)同監(jiān)測工作力度，在監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、質(zhì)量管理和數(shù)據(jù)應用等方面取得了一些新的進展。

1.1 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

1.1.1 環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)

國家環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)是開展細顆粒物和臭氧濃度監(jiān)測的主要網(wǎng)絡(luò)，由全國339個城市共計1 734個國控監(jiān)測點位組成，每天24 h開展連續(xù)監(jiān)測，另有279個加密縣(市)點、92個區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站、16個國家背景空氣質(zhì)量監(jiān)測站。全國2 584個區(qū)縣級單位均建有空氣自動站，覆蓋全國91.0%的區(qū)縣，京津冀及周邊地區(qū)和汾渭平原空氣自動站的區(qū)縣級單位覆蓋率達100%，長三角地區(qū)的覆蓋率達98.7%。

1.1.2 顆粒物組分網(wǎng)

顆粒物組分網(wǎng)主要用于揭示顆粒物的化學組成及其時空變化規(guī)律。目前，顆粒物組分網(wǎng)同時存在手工和自動2種監(jiān)測模式。其中手工監(jiān)測點位99個，分布在全國88個城市；自動監(jiān)測點位114個，分布在全國104個城市，實現(xiàn)了京津冀及周邊地區(qū)、汾渭平原及周邊地區(qū)、蘇皖魯豫交界地區(qū)和長三角地區(qū)等重點區(qū)域全覆蓋。

1.1.3 光化學監(jiān)測網(wǎng)

光化學監(jiān)測網(wǎng)用于監(jiān)測有光化學反應活性的揮發(fā)性有機物。目前全國光化學監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)分為3個層次建設(shè)：339個城市中，19個重點城市開展118項有機物組分監(jiān)測，130個重點城市開展71項有機物組分監(jiān)測，其余190個城市開展非甲烷總烴1項監(jiān)測。表1給出了我國目前細顆粒物和臭氧協(xié)同監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的基本情況。

表1 我國細顆粒物和臭氧協(xié)同監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的基本情況Table 1 Basic situation of the synergic monitoring network for fine particles and ozone in China

1.2 監(jiān)測技術(shù)

1.2.1 顆粒物濃度監(jiān)測

顆粒物手工監(jiān)測以重量法為主。重量法是我國顆粒物監(jiān)測的標準方法，也是其他方法開展比對時的參照方法。自動監(jiān)測主要使用光散射法、β射線法、振蕩天平法等。光散射法適宜做定性分析；β射線法通過適用性檢測的儀器品牌及型號較多，市場競爭充分，儀器及耗材價格相對較低；微量振蕩天平法準確度相對更高，但設(shè)備及耗材價格較高，對使用環(huán)境及運維技術(shù)水平要求高。目前國家網(wǎng)在用顆粒物儀器2 872臺，涉及8個品牌、26個型號，主要為β射線法(占有率92.6%)和微量振蕩天平法(占有率7.4%)。

1.2.2 顆粒物組分監(jiān)測

組分監(jiān)測目前主要開展了無機元素、水溶性離子、含碳組分等三大類監(jiān)測[7]，其技術(shù)主要分為手工監(jiān)測和自動監(jiān)測。手工監(jiān)測是在現(xiàn)場手工采樣后，將顆粒物樣品送到實驗室，通過電感耦合等離子體質(zhì)譜、離子色譜、氣相色譜質(zhì)譜、碳組分分析等技術(shù)方法對顆粒物化學成分進行分析。自動監(jiān)測則是通過在空氣自動監(jiān)測站點安裝在線離子色譜儀、在線碳組分分析儀、在線無機元素分析儀等設(shè)備，實現(xiàn)對顆粒物組分的連續(xù)自動采樣分析，部分站點還配備PM2.5監(jiān)測儀、氣溶膠激光雷達等監(jiān)測設(shè)備。目前，國家顆粒物組分監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中開展手工監(jiān)測的占比為46.5%，開展自動監(jiān)測的占比為53.5%。

1.2.3 臭氧監(jiān)測

臭氧的監(jiān)測技術(shù)可以分為近地面監(jiān)測和遙感監(jiān)測。目前，我國城市臭氧監(jiān)測主要采取的是近地面監(jiān)測方式。近地面監(jiān)測方法主要是紫外光度法，即根據(jù)臭氧分子對紫外光的吸收特性，通過測定空氣對紫外光的吸收強度來計算臭氧濃度。同時，隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，越來越多搭載臭氧探測儀的環(huán)境遙感衛(wèi)星發(fā)射升空[8]。如我國自主研發(fā)的FY-3衛(wèi)星、高分五號衛(wèi)星均搭載了臭氧探測儀，可以開展全球臭氧分布及變化規(guī)律研究。但是，臭氧遙感監(jiān)測目前還主要處在研究階段，離常規(guī)化業(yè)務(wù)應用還有一定距離。

1.2.4 揮發(fā)性有機物監(jiān)測

揮發(fā)性有機物監(jiān)測技術(shù)主要有色譜、光學、質(zhì)譜、傳感器等。在監(jiān)測方式上，可以分為手工監(jiān)測、自動監(jiān)測和走航監(jiān)測?，F(xiàn)場采樣加實驗室分析的手工監(jiān)測是目前最成熟的監(jiān)測技術(shù)，可以完成大部分VOCs的定性定量分析，但是人工采樣分析工作量大，監(jiān)測頻次也受到限制。自動監(jiān)測則通過在空氣自動監(jiān)測站安裝揮發(fā)性有機物在線監(jiān)測儀器，實現(xiàn)連續(xù)實時監(jiān)測，缺點是只能提供固定點位的濃度值。走航監(jiān)測則通過在車輛等移動工具上搭載VOCs監(jiān)測儀器，在指定區(qū)域或路線開展VOCs移動監(jiān)測，可以實時顯示區(qū)域或路線上揮發(fā)性有機物濃度空間分布。走航監(jiān)測的優(yōu)點是方便部署，快速高效，但是目前還缺乏統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范。

1.3 質(zhì)量管理

1.3.1 細顆粒物和臭氧濃度監(jiān)測質(zhì)量控制

細顆粒物和臭氧濃度監(jiān)測已經(jīng)建立了較為完善的質(zhì)量管理體系。在監(jiān)測儀器設(shè)備技術(shù)準入方面，通過制定環(huán)境空氣顆粒物、氣態(tài)污染物自動監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測方法、安裝和驗收技術(shù)規(guī)范等，明確了監(jiān)測儀器需要滿足的技術(shù)參數(shù)要求；在量值溯源方面，建成臭氧、氣體流量、PM2.5質(zhì)量濃度等生態(tài)環(huán)境部最高計量標準裝置，定期組織開展量值溯源工作；在監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)運行維護方面，通過制定國控城市站運行和質(zhì)控技術(shù)規(guī)范，明確運維管理工作流程，實現(xiàn)了全環(huán)節(jié)質(zhì)量管控，并且通過網(wǎng)絡(luò)檢查、手工比對、聯(lián)機比對、雙隨機飛行檢查等多種手段開展了質(zhì)量控制和檢查。

1.3.2 顆粒物組分和光化學監(jiān)測質(zhì)量控制

與細顆粒物和臭氧濃度監(jiān)測的質(zhì)量控制相比，由于顆粒物組分和光化學監(jiān)測起步較晚，質(zhì)量控制還有待完善。顆粒物組分和光化學監(jiān)測質(zhì)量控制的主要依據(jù)是中國環(huán)境監(jiān)測總站制定的《大氣顆粒物組分手工監(jiān)測和自動監(jiān)測質(zhì)量保證與質(zhì)量控制技術(shù)規(guī)定(第一版)》《國家環(huán)境空氣監(jiān)測網(wǎng)環(huán)境空氣揮發(fā)性有機物連續(xù)自動監(jiān)測質(zhì)量控制技術(shù)規(guī)定(試行)》等。同時，中國環(huán)境監(jiān)測總站還先后制定了揮發(fā)性有機物手工采樣及測試的參考方法標準、臭氧前體有機物手工監(jiān)測技術(shù)要求等相關(guān)內(nèi)容的文件，明確了開展相關(guān)工作的質(zhì)量控制要求。但是，這些規(guī)范性文件還有待上升為相應的國家標準，以更好規(guī)范和統(tǒng)一顆粒物組分和光化學監(jiān)測質(zhì)量控制要求。

1.4 數(shù)據(jù)應用

1.4.1 濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)

細顆粒物和臭氧濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)主要有以下幾個方面的應用：一是支撐考核排名。濃度監(jiān)測結(jié)果作為城市空氣質(zhì)量考核排名的主要依據(jù)，突出了問題導向和目標導向，有效倒逼地方政府壓實責任，為改善全國空氣質(zhì)量發(fā)揮了重要作用。二是服務(wù)精細管理。依靠濃度監(jiān)測的大量客觀數(shù)據(jù)，為大氣污染成因分析、重污染過程診斷、污染防治及政策措施成效評估提供了科學支撐。三是參與質(zhì)量預報。細顆粒物和臭氧的濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)作為重要邊界條件，是構(gòu)建數(shù)值模型及率定驗證過程中必不可少的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時也是實現(xiàn)未來7 d空氣質(zhì)量精細化預報的關(guān)鍵。

1.4.2 顆粒物組分監(jiān)測數(shù)據(jù)

組分網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)主要有以下應用：一是確定污染來源。通過監(jiān)測分析不同年份不同季節(jié)，特別是在顆粒物污染較重的采暖季顆粒物組分變化特征，反推污染來源，評估污染管控措施的成效。二是提供管控建議。通過顆粒物組分自動監(jiān)測，實時提供區(qū)域的顆粒物組分特征，判斷每次污染過程的成因及特點，對污染管控及削峰提出措施建議。三是保障重大活動。在重大活動保障中科學分析確定污染成因，為制定相關(guān)管控措施、改善重大活動期間空氣質(zhì)量提供科技支撐。

1.4.3 光化學監(jiān)測數(shù)據(jù)

光化學監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果主要有以下應用：一是服務(wù)臭氧污染理論研究。通過監(jiān)測重點區(qū)域主要揮發(fā)性有機物的濃度水平及變化規(guī)律，找出影響臭氧生成的主要前體物質(zhì)，為光化學反應機理研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。二是為臭氧污染防治提供技術(shù)支持。利用光化學監(jiān)測數(shù)據(jù)，為科學確定臭氧污染防治重點區(qū)域、重點時段，明確重點管控行業(yè)和目標，制定更為精準有效的臭氧污染治理策略提供技術(shù)支撐。

2 存在問題

現(xiàn)有監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)為空氣環(huán)境質(zhì)量改善作出了重要貢獻，但對照細顆粒物和臭氧協(xié)同控制需求，仍存在短板，尤其是在顆粒物組分和光化學監(jiān)測基礎(chǔ)能力方面，同歐美等西方發(fā)達國家相比，仍有一定差距[9-12]。

2.1 技術(shù)手段有待進一步拓展

一是高空梯度監(jiān)測業(yè)務(wù)化水平相對滯后。目前，我國細顆粒物和臭氧協(xié)同監(jiān)測仍以近地面為主，無法說清細顆粒物和臭氧高空長距離跨區(qū)域傳輸污染的問題，不利于區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控和本地精準管控。梯度監(jiān)測現(xiàn)有研究成果豐碩，業(yè)務(wù)化時機成熟，亟待開展。二是天地一體監(jiān)測融合分析技術(shù)亟待突破。一方面，地面定點監(jiān)測技術(shù)成熟，質(zhì)量控制較為容易，但當對一個城市或區(qū)域的環(huán)境質(zhì)量做整體評價時，定點監(jiān)測這種“以點代面”評價方式，常常引發(fā)點位選取代表性的爭議。另一方面，天基遙感監(jiān)測可以直接提供區(qū)域尺度的監(jiān)測結(jié)果，但質(zhì)量控制難度較大，結(jié)果不確定度較高。亟待研究一套融合算法，將地面定點監(jiān)測和遙感監(jiān)測獲取的結(jié)果相互交叉驗證和校核，充分發(fā)揮2種監(jiān)測手段的相對優(yōu)勢，使得區(qū)域環(huán)境質(zhì)量評價更加科學和客觀。

2.2 業(yè)務(wù)基礎(chǔ)有待進一步夯實

一是污染成因機理研究不足。顆粒物二次轉(zhuǎn)化及臭氧生成機理研究是一項復雜的系統(tǒng)工程。國外通過長期研究，逐步形成適合自身的理論基礎(chǔ)，我國起步相對較晚，尚處于模仿階段，目前主要是根據(jù)國外研究成果開展相關(guān)指標的濃度值監(jiān)測，亟待形成符合我國實際的基礎(chǔ)理論，以更好支撐細顆粒物和臭氧協(xié)同控制。二是指標選取缺乏數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。以顆粒物組分網(wǎng)和光化學網(wǎng)的全國組網(wǎng)布局為例，在財政不斷收緊預算的背景下，哪幾種揮發(fā)性有機物指標應在我國率先實現(xiàn)業(yè)務(wù)化？如何在各地開展揮發(fā)性有機物的差異化監(jiān)測？氨氣和氯化物監(jiān)測的密度與頻次如何設(shè)計？回答這些問題，還需要大量的監(jiān)測研究作為支撐。三是方法體系尚不健全。傳統(tǒng)手工監(jiān)測的方法體系比較成熟，但是一些新方法則還缺乏統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，比如便攜式細顆粒物監(jiān)測、揮發(fā)性有機物走航監(jiān)測等方法標準，以及不同種類的揮發(fā)性有機物的監(jiān)測方法及質(zhì)量控制標準等，均需要科學、系統(tǒng)地設(shè)計研究。

2.3 數(shù)據(jù)應用有待進一步深化

一是支撐協(xié)同控制還不夠精準。目前，顆粒物組分網(wǎng)和臭氧光化學網(wǎng)主要監(jiān)測的是環(huán)境空氣中的相關(guān)組分濃度，在污染源排放監(jiān)測方面則基礎(chǔ)比較薄弱，缺乏VOCs、NOx等重要前體物的高精度排放清單，影響了污染排放與大氣環(huán)境濃度間關(guān)聯(lián)關(guān)系的建立，制約了針對特定前體物質(zhì)的精準協(xié)同控制。二是協(xié)同控制成效考核基礎(chǔ)還比較薄弱。以顆粒物組分及光化學監(jiān)測為例，手工監(jiān)測模式下采樣及分析環(huán)節(jié)多，質(zhì)量控制難度大，現(xiàn)有質(zhì)量監(jiān)督能力不足。自動監(jiān)測由于還沒有完善的技術(shù)規(guī)范體系，其運維管理與質(zhì)量管控同樣無法達到常規(guī)監(jiān)測指標的質(zhì)量控制水平，導致現(xiàn)有數(shù)據(jù)尚無法直接用于減排效果的考核評價。

3 建議

3.1 拓展網(wǎng)絡(luò)功能

協(xié)同控制的關(guān)鍵在于控制氧化性大氣環(huán)境下的化學反應，減少二次顆粒物及臭氧的生成。亟需加強大氣污染成因機制研究，實現(xiàn)關(guān)鍵前體物質(zhì)的源頭控制。要在監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)上做好頂層設(shè)計，拓展現(xiàn)有監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)功能，劃清科研與業(yè)務(wù)的邊界。一是優(yōu)化業(yè)務(wù)監(jiān)測。根據(jù)地理及氣象條件，重點圍繞傳輸通道、產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，優(yōu)化監(jiān)測點位的數(shù)量、密度和位置。根據(jù)區(qū)域特征，抓主要因素，選擇揮發(fā)性有機物、氨氣、氯化物、氮氧化物中的一種或者幾種，重點監(jiān)測管控。增加非甲烷總烴監(jiān)測，適度降低二氧化硫、一氧化碳等穩(wěn)定達標指標的監(jiān)測頻次。二是強化科研監(jiān)測。在細顆粒物和臭氧不達標地區(qū)，深入開展研究，通過顆粒物組分、揮發(fā)性有機物、總氮氧化物、光解速率及邊界層高度監(jiān)測，進一步掌握污染成因，提出揮發(fā)性有機物和氮氧化物協(xié)同減排比例，分析減排潛力。

3.2 完善技術(shù)體系

豐富監(jiān)測技術(shù)手段，加強對污染物區(qū)域傳輸及高空傳輸?shù)谋O(jiān)測，掌握污染物的空間立體分布，實現(xiàn)精準管控和聯(lián)防聯(lián)控，建議從3個方面開展：一是創(chuàng)新監(jiān)測手段。充分運用天基遙測、空基航測、塔基觀測、地基探測等多手段，開展空天地一體化監(jiān)測。將地面監(jiān)測的高精度和空天監(jiān)測的寬范圍結(jié)合起來，形成優(yōu)勢互補，深化對細顆粒物和臭氧及其前體物濃度分布、轉(zhuǎn)化機理的認識。二是健全監(jiān)測方法和規(guī)范。統(tǒng)一監(jiān)測分析方法，制定自動監(jiān)測、手工監(jiān)測、移動走航監(jiān)測技術(shù)規(guī)范，明確質(zhì)量控制要求，確保各地區(qū)各類型監(jiān)測數(shù)據(jù)可比。三是加強質(zhì)量管理。提高量值溯源傳遞和環(huán)境監(jiān)測標準規(guī)范驗證能力，利用區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，實現(xiàn)質(zhì)量管理信息高效獲取、自動傳輸、集中儲存和智能判斷，提升監(jiān)測活動實時監(jiān)控、全程留痕和異常信息發(fā)現(xiàn)鎖定能力。

3.3 深化數(shù)據(jù)應用

一是服務(wù)精準治污。推動環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與污染源監(jiān)控一體化發(fā)展，建立算法工具，提高環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測、組分濃度、污染源排放、地方經(jīng)濟社會活動等數(shù)據(jù)的整合分析能力，找準城市中的重點污染因子、重點防控時段、重點排放地區(qū)、重點排放企業(yè)，實現(xiàn)細顆粒物和臭氧協(xié)同控制精準追因溯源。二是服務(wù)科學治污。推動細顆粒物和臭氧的機理成因研究成果轉(zhuǎn)化，構(gòu)建高精度數(shù)值模型并持續(xù)校核訓練，結(jié)合模型正反向模擬結(jié)果，綜合分析治污方案的治理效果、經(jīng)濟效益和可行性，支撐科學決策。三是服務(wù)依法治污。以高質(zhì)量的監(jiān)測結(jié)果，支撐各地因地制宜制定產(chǎn)業(yè)調(diào)整方案，優(yōu)化工業(yè)布局，制修訂地方污染排放標準，保障“一市一策”“一廠一策”落到實處。

4 結(jié)語

細顆粒物和臭氧均與大氣污染物二次轉(zhuǎn)化有關(guān)，這也是開展細顆粒物和臭氧協(xié)同監(jiān)測的理論基礎(chǔ)。為更好發(fā)揮協(xié)同監(jiān)測作用，應當拓展現(xiàn)有監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)功能，完善監(jiān)測技術(shù)體系，實現(xiàn)從數(shù)量規(guī)模型向質(zhì)量效能型的高質(zhì)量監(jiān)測轉(zhuǎn)變，以更優(yōu)監(jiān)測產(chǎn)品，支撐細顆粒物和臭氧協(xié)同控制各項措施落地見效。