大氣化學(xué)組分在線監(jiān)測數(shù)據(jù)在減排效果評(píng)估中的應(yīng)用綜述

摘要：我國大氣污染目前處于O3和PM2.5為主的二次復(fù)合污染階段，一次和二次污染物對控制措施的響應(yīng)存在差異，使得實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)治污面臨巨大挑戰(zhàn)。以客觀、準(zhǔn)確地評(píng)估大氣污染情況助力實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)防治為目的，綜述了我國開展大氣化學(xué)組分在線監(jiān)測的現(xiàn)狀及存在問題，介紹了基于大氣化學(xué)組分在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的來源示蹤分析方法及在污染減排評(píng)估中的具體應(yīng)用，提出了進(jìn)一步挖掘大氣化學(xué)組分在線監(jiān)測數(shù)據(jù)價(jià)值的展望。

關(guān)鍵詞：大氣化學(xué)組分；在線監(jiān)測數(shù)據(jù)；減排評(píng)估

引言

近年來，由于城市空氣污染對人類健康、氣候變化和能見度的負(fù)面影響，使得城市環(huán)境空氣質(zhì)量被廣泛關(guān)注。2013年以來，我國實(shí)施嚴(yán)格的污染減排政策后，PM2.5和SO2大氣污染物顯著下降，空氣質(zhì)量改善有目共睹。然而需要注意的是，盡管全國各地的PM2.5濃度下降，但二次污染成分占比不斷上升，并成為霧霾污染中的主導(dǎo)成分，同時(shí)O3污染頻繁出現(xiàn)，使大氣污染形勢發(fā)生了深刻的變化，從一次煤煙塵進(jìn)入到以O(shè)3和PM2.5為主的二次復(fù)合污染階段。其實(shí)，早在2008年，在對北京奧運(yùn)會(huì)期間實(shí)施臨時(shí)減排管控措施的評(píng)估中，就發(fā)現(xiàn)一次和二次污染物對空氣質(zhì)量改善控制措施表現(xiàn)出了不同響應(yīng)[1]。

目前，許多研究采用基于空氣質(zhì)量模型的方法來分析各種污染源管控措施對大氣環(huán)境的改善效果。然而，這種方法受排放清單的限制，且由于模型在設(shè)計(jì)和開發(fā)中存在差異和局限，導(dǎo)致結(jié)果的不確定性較大，使得基于觀測數(shù)據(jù)的結(jié)果存在較大偏差。而環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)是驗(yàn)證和矯正模型模擬的基礎(chǔ)，是研究大氣污染過程的基本條件，是判別大氣污染程度的直接依據(jù)。我國已建立涵蓋城市、區(qū)域、背景，以及包括空氣、酸雨、沙塵暴和揚(yáng)塵、溫室氣體、顆粒物組分、光化學(xué)組分在內(nèi)的功能完善的國家和地方環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，為研究大氣污染物減排措施實(shí)施效果的評(píng)估提供了便利條件，且在以觀測證據(jù)為基礎(chǔ)支持有效控制政策制定方面具有無可替代的價(jià)值，但如何客觀、準(zhǔn)確地評(píng)估空氣污染控制政策的有效性仍然是我國大氣科學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的現(xiàn)實(shí)問題。本文在大量閱讀文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)綜述了我國大氣化學(xué)組分在線監(jiān)測數(shù)據(jù)在污染減排評(píng)估中的應(yīng)用，以期為公眾提供政策實(shí)施效果的數(shù)據(jù)證據(jù)，并為政府制定精細(xì)化減排措施及跟蹤效果評(píng)估提供指導(dǎo)意義。

1 我國大氣化學(xué)組分在線監(jiān)測現(xiàn)狀

我國早期的大氣化學(xué)組分在線監(jiān)測主要依托于超級(jí)站的建設(shè)。超級(jí)站為研究性監(jiān)測系統(tǒng)，要求高度專業(yè)化、監(jiān)測設(shè)備完善、技術(shù)先進(jìn)且監(jiān)測全面，是我國城市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的必要且十分重要的補(bǔ)充，支撐了區(qū)域大氣復(fù)合污染的特征、成因、過程和效應(yīng)的研究，并在定量評(píng)估區(qū)域大氣污染綜合防治措施成效中發(fā)揮作用，為環(huán)境管理和綜合決策提供長期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科技支撐。

由于大面積建立成本高昂，2007～2012年我國只相繼建成了4個(gè)超級(jí)站，即北京大氣環(huán)境監(jiān)測超級(jí)站、重慶市空氣監(jiān)測超級(jí)站、廣東大氣超級(jí)監(jiān)測站、濟(jì)南市空氣監(jiān)測超級(jí)站，開展了包括大氣顆粒物組分、大氣氧化性和光化學(xué)煙霧污染等的自動(dòng)監(jiān)測與研究[2]。因此，為大氣污染綜合治理提供精準(zhǔn)的污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)支撐，我國布局了大氣化學(xué)組分在線監(jiān)測網(wǎng)，包括顆粒物組分與光化學(xué)組分監(jiān)測網(wǎng)，為我國大氣治理中長期精細(xì)化污染成因分析，以及污染管控措施制定、效果評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐。目前，我國已建成的顆粒物組分監(jiān)測網(wǎng)包括42個(gè)城市49個(gè)站點(diǎn)，涵蓋了PM2.5、水溶性離子、無機(jī)元素、OC、EC等的指標(biāo)；建成的光化學(xué)監(jiān)測網(wǎng)包括78個(gè)城市78個(gè)站點(diǎn)，監(jiān)測指標(biāo)涵蓋NMHC、OVOCs等揮發(fā)性有機(jī)物、太陽輻射、光解速率等。但關(guān)于大氣化學(xué)組分在線監(jiān)測網(wǎng)質(zhì)量管理體系的建立，我國仍處于探索階段。隨著越來越多的化學(xué)組分監(jiān)測指標(biāo)增加到大氣化學(xué)組分在線監(jiān)測網(wǎng)中，操作人員的專業(yè)性、儀器設(shè)備精度和準(zhǔn)確度、采樣和分析方法、數(shù)據(jù)處理和校準(zhǔn)等問題，給在線數(shù)據(jù)質(zhì)量帶來了一定的挑戰(zhàn)。為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，還需加強(qiáng)對不同品牌監(jiān)測設(shè)備的比對研究、制定標(biāo)準(zhǔn)的儀器工作手冊、規(guī)范數(shù)據(jù)處理和校準(zhǔn)流程等。

2基于大氣化學(xué)組分監(jiān)測數(shù)據(jù)的來源示蹤分析方法

2.1 特征組分示蹤

由于每種污染源類型都有各自獨(dú)特的排放指紋，不同來源的源排放減少也會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染物化學(xué)成分的變化，因此可以利用特征組分進(jìn)行大氣污染源排放示蹤。如，化學(xué)組分中，水溶性離子Cl-、K+較高與生物質(zhì)燃燒、煙花爆竹燃放有關(guān)，Ca2+、Mg2+是建筑和土壤塵的示蹤物；無機(jī)元素中Cu和Ba是煙花彩色火焰的添加劑；揮發(fā)性有機(jī)物中丙烷和丁烷是液化石油氣（LPG）揮發(fā)的主要示蹤物種，乙炔是燃燒源的典型示蹤物，異戊二烯主要來源于植物排放，甲基叔丁基醚 （MTBE） 被廣泛用作汽油添加劑并被確定為汽油車輛排放的指紋。江明等[3]以丙烷和丁烷作為示蹤物種組合評(píng)估了珠三角地區(qū)在2020年春節(jié)與疫情管控期間液化石油氣揮發(fā)影響，結(jié)果表明該影響下降了26%～52%。LI J等[4]評(píng)估2015年我國在勝利日閱兵期間排放控制措施的效果時(shí)，用乙腈作為生物質(zhì)燃燒的示蹤劑，發(fā)現(xiàn)控制措施對生物質(zhì)燃燒源并沒有起到有效控制效果。

2.2 特征比值示蹤

比值法在大氣污染物來源示蹤評(píng)估中也是一種常用的手段，如OC/EC濃度比值變化常用來指示碳質(zhì)氣溶膠污染源的變化，而由于EC僅來自一次燃燒排放且對化學(xué)反應(yīng)呈惰性，因此其它二次產(chǎn)物與EC的比值也常用來反映污染物的二次來源與一次排放之間的相對變化；甲苯/苯（T/B）的比值則經(jīng)常用來識(shí)別VOCs的來源變化，江明等[3]發(fā)現(xiàn)春節(jié)放假前工業(yè)城市廣東省東莞市T/Bgt;6.9（工業(yè)區(qū)環(huán)境空氣中T/B在6.0～6.9之間）的天數(shù)多于其它城市點(diǎn)位，而在春節(jié)管控期間T/B顯著下降，基本在＜2.0區(qū)間內(nèi)，表明工業(yè)排放影響在春節(jié)管控期間基本消失。

2.3 來源解析模型

常用的大氣污染來源解析模型主要有主成分分析（PCA）、化學(xué)質(zhì)量平衡（CMB）和正定矩陣因子分解（PMF）等，由于僅使用觀測濃度的時(shí)間序列作為輸入?yún)?shù)，PMF模型的應(yīng)用更為廣泛。如，LI J等[4]評(píng)估污染物對2015年我國在勝利日閱兵期間采取的污染控制措施的響應(yīng)時(shí)，采用基于VOCs在線觀測數(shù)據(jù)和PMF源解析模型的分析方法，定量評(píng)估交通控制措施對減少北京環(huán)境VOCs的效果，減排量約為50%。我國生態(tài)環(huán)境部為了規(guī)范環(huán)境空氣顆粒物來源解析工作中PMF的計(jì)算，于2022年組織編制了《環(huán)境空氣 顆粒物來源解析 正定矩陣因子分解（PMF）模型計(jì)算指南》。

3減排效果評(píng)估對大氣化學(xué)組分在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的應(yīng)用

3.1 短期污染控制措施的效果評(píng)估

在比較特殊的事件期間，為保證良好的空氣質(zhì)量，一般會(huì)制定嚴(yán)格的大氣污染管控措施，交通或工業(yè)活動(dòng)也會(huì)受到短期的限制。2008年北京奧運(yùn)會(huì)期間，我國第一次嘗試對人為排放污染源采取臨時(shí)嚴(yán)格的管控措施，GAO X M等[1]利用水溶性無機(jī)離子在線觀測數(shù)據(jù)直接評(píng)估了此次奧運(yùn)會(huì)期間采取的控制措施對二次無機(jī)離子的有效性，與采取全面控制措施前相比，此次奧運(yùn)會(huì)期間局部二次無機(jī)氣溶膠減少了61.4%、66.1%和69.0%。2014年的APEC會(huì)議期間，SUN Y L等[5]觀測到在260m高度和地面二次無機(jī)氣溶膠減少了61%～67%不等，二次有機(jī)氣溶膠分別減少了55%和37%，而地面一次有機(jī)氣溶膠則升高了33%，結(jié)果表明“APEC藍(lán)”的實(shí)現(xiàn)主要是由于區(qū)域排放控制導(dǎo)致二次氣溶膠顯著減少發(fā)揮的作用。2015年我國在勝利日閱兵期間，LI J等[4]使用在線觀測的 VOCs 數(shù)據(jù)結(jié)合PMF進(jìn)行了相關(guān)評(píng)估工作，發(fā)現(xiàn)嚴(yán)格的北京及周邊地區(qū)大氣污染物減排計(jì)劃，使閱兵期間總VOCs混合比降低了39.4%，其中車輛相關(guān)源是北京最大的VOCs貢獻(xiàn)者，環(huán)境VOCs減少中有76%的貢獻(xiàn)來源于閱兵期間車輛管控措施。另外，車輛管控的重要性也在2019年于武漢市舉行的第七屆世界軍人運(yùn)動(dòng)會(huì)期間得到了驗(yàn)證，但由于僅對工業(yè)源進(jìn)行管控，不對車輛進(jìn)行限制，TAO M H等[6]在此次運(yùn)動(dòng)會(huì)期間觀測到SO42-和OVOCs濃度雖下降明顯，VOCs 總量卻很穩(wěn)定，OC和EC存在不斷累積的過程，導(dǎo)致在持續(xù)靜穩(wěn)天氣條件下NOx和O3均維持在較高水平。

此外，并非所有情況下車輛排放的減少都會(huì)有效改善空氣質(zhì)量，如2020年我國大部分城市施行嚴(yán)格管控期間車流量明顯減少的情況下，華東地區(qū)就出現(xiàn)了重度霧霾污染，使得更多的學(xué)者開始關(guān)注污染控制措施導(dǎo)致的大氣化學(xué)組分的變化在空氣質(zhì)量改善中的作用。HUANG X等[7]的研究發(fā)現(xiàn)，嚴(yán)格管控期間機(jī)動(dòng)車排放的NOx出現(xiàn)大幅減少，但O3濃度出現(xiàn)了增加，導(dǎo)致大氣氧化能力增強(qiáng)，進(jìn)而為二次顆粒物的形成提供了有利條件，說明減輕霧霾污染需要采取協(xié)調(diào)和平衡的策略來控制多種污染物的排放，才能取得更好的效果。WANG N等[8]的研究則發(fā)現(xiàn)污染物對減排措施的響應(yīng)在我國不同區(qū)域存在明顯差異，如在長三角地區(qū)，短期人為排放的減少使無機(jī)氣溶膠組分SO42-、NO3-和NH4+降低了 30.1%～56.6%不等，NO2和 PM2.5分別下降了55.1%和41.6%，O3則升高了35.6%，二次有機(jī)氣溶溶膠組分SOC在PM2.5中的占比升高了7.1%，表明NOx排放的降低增強(qiáng)了大氣的氧化能力，導(dǎo)致了O3和SOC的增加；在珠三角地區(qū)，管控期間SO42-、NO3-和NH4+降低了59.8%～80.7%不等，SOC在PM2.5中的占比升高了15.2%，NO2、PM2.5和O3分別下降了64.7% 、33.8%和21.3%，表明短期人為排放的減少有利于珠三角的空氣質(zhì)量，而區(qū)域傳輸促進(jìn)了二次污染的增加。

3.2 長期污染控制措施的效果評(píng)估

盡管近年來，隨著大氣化學(xué)組分在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的不斷積累，其應(yīng)用價(jià)值得到了逐步發(fā)掘，但將這些數(shù)據(jù)應(yīng)用于評(píng)估我國現(xiàn)階段已實(shí)施的長期改善空氣質(zhì)量控制措施的研究仍然相對較少。WONG Y K等[9]通過對香港路邊監(jiān)測站6年的在線監(jiān)測VOCs和PM2.5中的碳組分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行研究，并結(jié)合PMF模型評(píng)估了柴油車和汽油車對政府執(zhí)行的政策長期響應(yīng)情況，結(jié)果顯示觀測期間OC和EC均呈顯著下降趨勢；被用于跟蹤液化石油氣燃料車輛使用的正丁烷，其排放量在政府實(shí)施液化石油氣汽車催化轉(zhuǎn)化器更換計(jì)劃后急劇下降；柴油車占車輛貢獻(xiàn)PM2.5的 70%～90%，其余來自汽油車；在政府實(shí)施針對柴油商用車和專營巴士的污染管控措施后，卡車和巴士主導(dǎo)時(shí)期的柴油車輛對PM2.5的貢獻(xiàn)呈下降趨勢。XIA S Y等[10]基于廣東省深圳市2014～2019年OVOCs長期在線觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合光化學(xué)年齡的來源分析方法，發(fā)現(xiàn)深圳市OVOCs排放量6年中呈下降趨勢，人為源貢獻(xiàn)的OVOCs濃度下降了50%～60%，表明在深圳市大部分工業(yè)和交通集中的北部內(nèi)陸地區(qū)實(shí)施的VOCs控制措施對一次排放源的減少產(chǎn)生了顯著影響，而OVOCs的二次來源并沒有顯著下降，說明未來需要加大力度控制OVOCs的二次來源，不僅要降低其主要VOC前體，還要降低其復(fù)雜的大氣氧化能力，以實(shí)現(xiàn)同步降低O3和二次有機(jī)氣溶膠的產(chǎn)生。

結(jié)語

在當(dāng)前以O(shè)3和PM2.5為主的二次復(fù)合污染階段，我國大氣化學(xué)組分在線監(jiān)測數(shù)據(jù)在大氣污染控制措施評(píng)估方面已取得了一定的進(jìn)展。短期人為排放的減少有利于二次無機(jī)氣溶膠顯著下降，VOCs的下降對車輛管控的響應(yīng)最大；不同化學(xué)組分對污染控制措施的響應(yīng)程度不同，這些差異還會(huì)體現(xiàn)在不同區(qū)域、不同點(diǎn)位和不同垂直高度上。長期污染控制措施的評(píng)估給出了以監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的方法在支持有效控制政策制定方面的價(jià)值，有效跟蹤了污染管控的效果，并提出了未來管控的重要方向。因此，可進(jìn)一步完善我國大氣化學(xué)組分在線監(jiān)測體系，加強(qiáng)大氣化學(xué)組分在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量管理，累積長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，為減排成效評(píng)估提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐；加大科研投入，加強(qiáng)大氣污染物之間的化學(xué)機(jī)理研究，深入探討不同化學(xué)組分對污染控制措施的響應(yīng)規(guī)律；建立多方法結(jié)合、多證據(jù)耦合的科學(xué)評(píng)估體系，充分發(fā)揮監(jiān)測數(shù)據(jù)的價(jià)值，進(jìn)一步挖掘大氣化學(xué)組分在線監(jiān)測數(shù)據(jù)在評(píng)估與支持有效控制政策制定方面的作用；探索因時(shí)因地制定大氣污染精準(zhǔn)管控措施，有效降低經(jīng)濟(jì)成本，追求最大減排效益。

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作者簡介

李成柳（1991—），女，漢族，海南三亞人，助理工程師，大學(xué)本科，主要研究方向?yàn)榇髿猸h(huán)境監(jiān)測與污染成因分析。