• 156-1766-2883
  • 132-1300-3605
  • 9:00 - 18:00

内容详情

蓝天下的污染:再说臭氧

发表于:2020年07月15日

今年是“蓝天保卫战三年行动计划”收官之年

当中国的PM2.5治理已经在多年努力后

开始取得明显改善时

臭氧正在成为环保界的新难题

蓝天下的污染:臭氧

早在一年前,也就是2019年5月23日,上海市出现了全年唯一的一天重度污染天气,污染物不是人们耳熟能详的雾霾或者叫PM2.5,而是一种令人心怀好感的物质——臭氧(O3)。那一天,上海市的臭氧浓度达到了266微克/立方米,而国家达标浓度为160微克/立方米。

在距离地球表面20~50千米高度的平流层,包围着平均厚约3厘米的薄薄一层臭氧,它能吸收太阳光中的大部分紫外线,使地球上的生物免受伤害。但在近地面,臭氧却是一种污染物,尽管它的伤害不足与PM2.5相提并论,但每年在全世界造成100多万人死亡,以及数百亿美元的农作物损失。

北京夏季午后的湛蓝天空,往往被人们认为是这个饱受雾霾之苦的城市一年之中空气最好的时候。但此时往往是一天之中臭氧污染浓度最高的时候。在一年之中,臭氧浓度一般从5月份开始增长,到8月达到最高点,进入秋季后逐步降低。在上海,也有臭氧加重的一些迹象:在以前极少出现臭氧超标的3月和11月,这两年都开始出现了臭氧污染。

今年是“蓝天保卫战三年行动计划”收官之年,当中国的PM2.5治理在多年努力后开始取得明显改善时,臭氧正在成为新的环保难题。5月15日,国家生态环境部大气环境司司长刘炳江在新闻发布会上表示,与去年相比,2020年大气污染治理的最大变化,就是要应对臭氧浓度上升问题。

一种不分穷富的污染物

中国的臭氧污染问题的浮现,是一个缓慢而逐渐积累的过程。一方面,PM2.5的下降使得臭氧问题凸现出来——全国地级及以上城市环境空气PM2.5年均浓度持续下降,2016至2020年间累计下降了21.7%;另一方面,从全国开始监测臭氧浓度以来,中国臭氧污染一直在稳步而持续地上升。事实上,在六种被监测的空气污染物中,臭氧是唯一一个不降反升的污染物,且浓度达标城市数量也在缓慢下降。

今年6月2日,国家生态环境部发布了《2019中国生态环境状况公报》。《公报》显示,2019年,全国337个城市中有30%的城市臭氧超标,仅次于PM2.5,其中京津冀和长三角区域臭氧污染尤为突出。

清华大学环境学院教授、中国工程院院士郝吉明团队2020年6月在工程院院刊《工程》上发表的一篇综述文章则指出:2013~2017年间,全国74个主要城市臭氧平均浓度上升了20%。另据《南华早报》报道,尽管控制其他主要污染物的努力已经显现出了好的转变,香港的臭氧污染自2013年到2018年间增长了20%,创下了二十年来的高峰。

生态环境部生态环境监测司司长柏仇勇在6月2日的发布会上指出,与全球气候变暖、人为污染排放、及区域大范围传输等因素有关,全球臭氧背景浓度呈增长趋势,平均每年上升1微克左右,这与中国的情况较为一致。温度升高有利于臭氧的形成。在实际监测中,上海近几年的臭氧峰值是在2017年,那一年温度特别高,2018、2019两年因夏季台风较多,臭氧超标天数又相对减少。

极端高温天气、气候变暖等原因带来的臭氧污染加剧是一个全球性、普遍性状况。《2019全球空气状况报告》就显示,与PM2.5在不同经济社会发达国家出现分化不同,不管是发达国家抑或是发展中国家,各国的臭氧浓度都持续保持在较高水平。即便在治理臭氧起步较早、花了大力气的美国和日本,近几年也是有微弱的上扬。

生态环境部环境规划院大气所所长雷宇说,欧洲因为纬度较高,气温和辐射相对较低,总体上臭氧浓度要低一些,中国与同纬度的美国具有更强的可比性。统计数据显示,1980年至今,美国的臭氧浓度在波动中缓慢下降, 2019年臭氧日最大8小时平均浓度约为130微克/立方米,比1980年下降了35%。

国际非营利性机构亚洲清洁空气中心中国项目经理万薇说,中国2019年的平均臭氧浓度,接近美国十多年前即2005~2010年的平均值。

根据复旦大学公卫学院教授陈仁杰等人于2017年末发表的文章,全国平均来看,臭氧浓度每提升10微克/立方米,尽管只是短期暴露,心血管疾病、高血压、冠心病、中风所致日均死亡率就会分别提升0.24%、0.27%、0.60%、0.24%以及0.29%。

国际非营利性组织健康影响研究所等机构2019年4月份发布的《2019全球空气状况报告》对室内空气污染、PM2.5与臭氧三种污染物带来的疾病负担进行了估算:从全球来看,在空气污染物引发的死亡中,8%与PM2.5有关,1%与臭氧有关。1%依然是一个不小的绝对值。2017年,臭氧导致约47.2万人死亡,其中大多数发生在中国(38%)和印度(31%)。

目前比较主流的结论是,臭氧对人的呼吸道有害,比如引起呼吸道炎症、肺功能下降,对心血管的损害目前看法不一致。与颗粒物不一样,臭氧是一个很活跃的气体,很容易跟物体表面反应并消失,在室内很快地与墙体、桌面、家具、地板这些物品反应,因此室内臭氧浓度比较低。高臭氧污染的天气,待在室内是防控臭氧最有效的办法,目前尚无严谨的科学证据表明戴口罩和使用空气净化器可有效防护臭氧带来的健康危害。

臭氧还会阻碍植物光合作用的能力,进而对生态系统和农作物造成损失。一项由英国约克大学等机构研究人员2016年底发表的文献发现,2000年,世界上将近一半的代表性生态系统暴露在构成生态风险的在臭氧水平之中,并预测到2050年这一风险将增加。

复杂的生成机制

香港科技大学资深大气科学家刘启汉说,“臭氧是个极大的问题。但我们对构成它的组分以及如何控制它们的了解,却显得那么不足。”极端天气增多、城市加速工业化进程背景下,复杂的大气化学反应加剧了臭氧控制的挑战。

大部分臭氧是由人为排放的“NOx(氮氧化物)”和“VOCs(挥发性有机物)”,在高温光照条件下产生化学反应形成。NOx主要来自机动车、发电厂、燃煤锅炉和水泥炉窑等排放,VOCs与NOx有相同的来源,此外还存在于油漆、印刷油墨、粘合剂、密封剂等来源广泛的有机溶剂中,植物排放约占大气中VOCs的30%。

PM2.5的前体物也包括NOx、VOCs、SO2,与臭氧组分有很多重叠,然而意外的是,中国对PM2.5卓有成效的控制却并未给臭氧带来“一箭双雕”的效果。这是因为,PM2.5与其前体物的关系,是线性的,而臭氧并不遵循这个规律。

研究大气化学的科学家用一条叫EKMA的曲线专门描述臭氧浓度与其两种前体污染物之间的非线性关系。光化学污染是一个比较复杂的过程,在特定范围内,如果NOx和VOCs的减排比例把控不好的话,臭氧浓度反而会往上涨。

具体说来,如果在VOCs控制区,VOCs没有下降,但是NOx下降了,臭氧浓度可能会上升。比如,在这次新冠疫情期间,因汽车尾气和工业排放减少,全国范围内氮氧化物NOx同比大幅度下降,然而VOCs并没有等比下调,结果多个城市发现了臭氧浓度的上升——今年第一季度国内臭氧浓度比去年同期上升了3.4%,4月份则同比上升8.1%。而今年前三个月全国PM2.5浓度同比下降了约15%。

以上海为例,因为上海有大量机动车、船和飞机等排放源,空气中的NOx一直处在比较高的水平,同时,工厂也比较多,所以VOCs的浓度水平也比较高,整体臭氧污染问题越来越突出,但背后的规律复杂多变。

在NOx浓度很高时,比如路边,车辆多、排放量大,臭氧浓度反而比较低,因为汽车尾气排放的NO“吃掉了”O3,变成了NO2,这些NO2又会被风吹到下风方向,再跟VOCs发生化学反应产生臭氧,结果是,车辆较少的郊区,臭氧浓度有时反而比城区中心高。臭氧的防治是一个复杂的问题,需要考虑本地和区域、城市和郊区、VOCs和NOx几个方面的协同防控。

臭氧生成的这种复杂关系,使得治理臭氧时常使用一个词:协同。氮氧化物与挥发性有机物两者的大幅削减,肯定会带来臭氧下降,但是在某一些区间会出现这种非线性的、反反复复的关系,所以协同治理非常关键,如何去把握这两种污染物减排的比例,需要科学研究给出答案。

万薇说,日本就是一个很典型的例子。2001年以后,日本开始实施减少机动车NOx排放的对策,效果很好,NOx和颗粒物浓度一直在下降,但是臭氧指标不降反升。“跟中国的情况很类似,也是因为没有协同减排。”日本于2004年修订《大气法》,削减30%的VOCs排放总量后,2009年臭氧浓度才大幅下降。

此外,当大气中PM2.5浓度显著下降时,会导致光辐射增强,反而有利于臭氧生成。监测结果也表明,中国PM2.5和臭氧的年际变化整体上呈反相关性。诸多研究显示,大幅降低PM2.5可能会带来臭氧含量升高的潜在风险。

PM2.5后,臭氧治理提上日程

生态环境部生态环境监测司司长柏仇勇总结说,现阶段中国臭氧污染的根本原因是VOCs和NOx等臭氧前体物还维持在较高的浓度水平,在强日照、高气温、少云量、弱风力、少降雨等不利气象条件下,加速光化学反应,造成臭氧浓度超标。

“十二五”以来,中国通过总量减排推进氮氧化物的治理,取得了一定进展。相比之下,VOCs控制是短板。VOCs的排放特征和其他污染物不太一样,它的排放点太多,而且很分散,过去的监管措施和手段不完全适用。这一部分也正是中国与发达国家相比治理差距比较大的地方,同时,中国的状况也更复杂:工业门类很多,企业管理水平参差不齐,既有最先进的企业,也有最落后的企业。

郝吉明团队也指出,2013至2017年的“大气污染防治行动计划”期间,全国NOx排放降低了21%,但VOCs的减幅只有2%,这样的组合改变对控制PM2.5而非臭氧有效,这些年的空气数据也体现了这个结果。

作为对比,万薇分析说,美国在1997年至2004年间,NOx的排放减少了25%,VOCs排放减少了21%,基本实现了协同控制与同步减排。她说,虽然臭氧的大气光化学机制比较复杂,但只要将前体污染物协同减排,比如等比例1:1减排,肯定会有改善。

中国近几年已经出台了好几项关于治理VOCs的政策文件,如2017年颁布的《“十三五”挥发性有机物污染防治工作方案》,2019年印发的《重点行业挥发性有机物综合治理方案》及最近出台的《2020年挥发性有机物(VOCs)治理攻坚方案》……这块短板正在不断加强。

就技术而言,臭氧的治理难度也并不大。早在2008年,一份由英国皇家学会撰写的关于未来臭氧污染的报告就写道:“解决地面臭氧污染的技术已经得到了广泛的应用,在全球环境问题中,地面臭氧具有独特的可控性。”

过去十年,中国大气治理的核心都围绕PM2.5,在2016~2020年的“十三五规划”约束性指标里,一个是PM2.5,另一个是优良天数,国家希望通过后者来体现对其余几种污染物的约束作用,因此臭氧未被作为单独指标进行管理。但在下一阶段,臭氧将登上中国大气治理的舞台,PM2.5和臭氧的协同控制已成为当下持续改善空气质量的关键。

按惯例,“十四五”规划(即2021~2025年)将在明年的全国两会期间发布,后陆续出台各种专项规划。“十三五”的重点是针对PM2.5,“十四五”还会继续要求PM2.5下降,但臭氧和颗粒物的协同一定会作为一个重点,另外可能的一个重点是如何通过环境保护去助推经济向高质量发展转型。


请您把问题反馈给我们!