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PM2.5与臭氧“按下葫芦浮起瓢”?协同治理可解污染控制难题

  由于PM2.5对臭氧污染有抑制作用,当PM2.5浓度下降时,臭氧污染若不加以控制,将会逐渐抬头。研究发现,需要同时控制臭氧污染的两种重要来源——氮氧化物和挥发性有机化合物排放,才能在降低PM2.5浓度的同时,降低臭氧污染影响。

  本期嘉宾:哈佛-南信大空气质量和气候联合实验室研究团队 

  采访人:中国气象报记者 刘钊 

  本期观点: 

  由于PM2.5对臭氧污染有抑制作用,当PM2.5浓度下降时,臭氧污染若不加以控制,将会逐渐抬头。研究发现,需要同时控制臭氧污染的两种重要来源——氮氧化物和挥发性有机化合物排放,才能在降低PM2.5浓度的同时,降低臭氧污染影响。 

  通过持续治理,令人呼吸困难的PM2.5污染已经有了明显好转。但如同那句俗话“按下葫芦浮起瓢”——臭氧污染却在悄无声息地抬头。一项研究发现,高浓度的PM2.5会抑制臭氧污染,而随着PM2.5浓度逐渐降低,对臭氧污染的控制更应受到重视。我们需要一种新的策略,协同治理PM2.5与臭氧污染。 

  PM2.5受控 臭氧抬头 

  回望2013年,国务院出台《大气污染防治行动计划》,提出了到2017年可吸入颗粒物浓度的控制目标,北京、上海等多个城市随即出台《清洁空气行动计划》(2013-2017)。一场声势浩大的对PM2.5的围剿随之展开。这一行动将PM2.5定位为对公众健康的最紧急威胁,其主要控制排放的重点是燃煤产生的一次颗粒物和二氧化硫(SO2)。

  如今5年早已过去,今天,我国城市地区的PM2.5浓度下降了30%~40%,可谓成果显著。但与此同时,地表臭氧浓度却一再增加。臭氧污染对人体健康、植被、农作物和建筑物均造成了不同程度的不良影响。

  空气中的臭氧主要来自氮氧化物(NOx)和挥发性有机化合物(VOCs)的光化学氧化。2013年至2017年,我国人为排放的氮氧化物减少20%,而挥发性有机化合物的排放增加2%。显然,仅用排放趋势不能解释臭氧的增加。

  研究者将目光聚集到了PM2.5的下降上,使用数值模型模拟后,他们发现,臭氧的增加可能与PM2.5的降低有关,因为PM2.5会清除超氧化氢(HO2)和氮氧化物NOx自由基,阻止它们产生臭氧。

  高浓度PM2.5抑制臭氧污染 

  这项研究由哈佛-南信大空气质量和气候联合实验室完成,近日在《自然-地球科学》期刊上在线发表。

  为了验证PM2.5抑制臭氧产生这一观点,研究人员选取了2013年至2017年开展清洁空气行动的四个特大城市群:华北平原(106个站点)、长三角(84个站点)、珠三角(66个站点)和四川盆地(71个站点)。

  在观测数据中,臭氧与PM2.5浓度通常呈正相关。这种正相关性是受污染地区夏季观测的典型特征,因为夏季臭氧和PM2.5污染增长所需的气象条件类似。

  论文第一作者李柯表示,观测发现,华北平原的PM2.5增加到大约100微克每立方米,臭氧水平稳定在80ppb(1ppb=十亿分之一)左右。而去除PM2.5对化学和光解的影响后,臭氧直到达到110ppb时才会稳定下来。 当PM2.5超过80微克每立方米时,相对于无PM2.5的条件,它可以抑制约25ppb的臭氧产生。

  研究人员在模型中加入了进一步的敏感性实验,以分离出PM2.5对臭氧的不同影响。PM2.5对臭氧的最大影响来自吸收HO2,其次是吸收NOx。PM2.5对HO2自由基和NOx进行了非均相吸收,抑制了臭氧的化学生成。

  减排应更具策略性 

  抑制臭氧污染的手段,就是对NOx和VOCs进行排放控制。而了解了PM2.5对臭氧生成的影响,就可以使这种减排目标制定更科学、更具策略性。

  简单地说,由于PM2.5对HO2和NOx的吸收,臭氧对NOx减排的敏感性降低,即对于控制臭氧而言,限制排放NOx就不再那么有效,因此更需要控制VOCs的排放。

  目前,我国VOCs的排放量尚未减少。根据生态环境部新的《清洁空气行动计划》(2018–2020年),相对2017年,2020年的PM2.5浓度、NOx和VOCs排放量需要降低8%、9%和10%。考虑到过去五年,PM2.5快速降低造成华北地区臭氧增加约1ppb/年,那么如果该目标实现,在降低PM2.5的同时,臭氧污染会受到怎样的影响呢?

  对华北地区模拟研究表明,在气象条件不变的前提下,到2020年的目标实现后,降低PM2.5浓度、减排NOx和VOCs会导致华北地区平均夏季臭氧浓度分别增加0.6ppb、减少0.5ppb和减少1ppb。

  这表明仅仅减排NOx不足以抵消PM2.5浓度下降带来的臭氧浓度增加,只有同时减排NOx和VOCs,才能有效遏制臭氧浓度上升趋势。特别是在PM2.5浓度相对较高时,其下降造成的臭氧浓度上升更加明显,此时减排VOCs更有效。

  近期研究表明,我国的VOCs排放量仍处在上升态势。未来,唯有同时减排NOx和VOCs,特别是减排能同时形成臭氧和二次有机气溶胶的高活性芳香烃VOCs,才能够更有效地实现霾和臭氧治理的双赢。

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