疫情期间宅在家时,许多人注意到蓝天出现的频率和整体空气质量较往年同期有所改善。然而,在看见雾霾变化的同时,另一种更为隐蔽、难以用肉眼辨识的空气污染物——近地面臭氧,在2020年伴随着气候变化更频繁大步地走近了我们。

臭氧污染悄悄“来势汹汹”

随着初夏来临,近地面臭氧再次活跃于公众视野中,在刚刚过去的这个5月里,全国有257个地级及以上城市的月评价首要污染物为臭氧,约占全国80%的地区。尤其在2020年“五一”小长假期间,全国范围内出现的一波热浪使多地出现了不等程度的臭氧污染。北京全市20个国家气象台站中有一半站点在今年五一期间突破了该站历史同期高温极值,而北京在五一当天出现近地面臭氧重度污染,下午短时内臭氧小时浓度曾突破300μg/m3(微克/立方米),且当日臭氧日最大8小时平均第90百分位浓度平均值(简称“臭氧评价值”)高达国家二级标准的180%。

高空平流层中的臭氧是为我们阻挡紫外线的保护罩,而近地面臭氧不同,它通常由人类活动排放的氮氧化物和挥发性有机物在光照下反应而成,是有害光化学烟雾的主要成分,当公众暴露于标准值以上浓度的臭氧之下时,健康将受到不利影响。近地面臭氧易形成于高温晴朗无风的天气,因此在夏季臭氧污染最为严重。

大气化学的变化叠加气象条件的影响更是加剧了臭氧污染水平。就地方看来,珠三角地区在今年4月臭氧出现了59.0%同比增长,并在4月26日至4月29日出现了持续4天的臭氧污染天气,每天的臭氧日评价值超过国家二级标准160μg/m3,深深引发忧虑。这次臭氧污染也受到了该时间范围内的升温影响,截至29日11时,全广东省有102个市(区)县森林火险警信号生效中,天气高温干燥,其中28日和29日的白天最高气温都超过了30℃。受气候变化影响,高温低湿的天气出现频率及强度更高,是臭氧污染加重的重要原因之一。

2020年1月到4月,随着PM2.5浓度在全国范围内的下降,近地面臭氧却呈现快速上升趋势。1月到4月,全国平均日均臭氧评价值为112.2μg/m3,累计同比上升6.8%,此增长幅度在珠三角与长三角尤为明显,分别达16.6%和9.5%。并且呈现1月2月快速同比增长(分别为11.0%和10.3%),3月微幅下降(-1.0%),而4月又重回增长(8.6%)的趋势,在1、2和4月明显地超过了往年同期。随着五一开启了又一个高温热浪模式,臭氧污染日益成为需要关注的重点空气污染现象、更是打赢蓝天保卫战不容忽视的夏季对手。

PM2.5 和臭氧:按下葫芦浮起瓢?

今年初,国内自1月下旬开始实行了严格的人口流动管控和居家隔离政策,由于短时间内断层式减少的工业生产与交通活动,1至3月,除臭氧之外的五类首要大气污染物皆明显减少,虽然它们的同比差异随着复工复产节奏加快而不断收缩,以1月到4月累计同比来看,全国PM2.5、NO2、PM10、SO2、CO的累计同比下降幅度都也超过了10%,好于往年同期污染水平。

经过《大气污染防治行动计划》、《蓝天保卫战三年行动计划》中对各地严格的排放约束等政策调控,中国空气污染中的首要污染物——细颗粒物(PM2.5)的2019年年平均浓度为36μg/m3,较2015年下降28%。与此同时,近地面臭氧污染的问题反而逐步凸显,2019年,以臭氧为首要污染物的超标天数占总超标天数41.8%,仅次于PM2.5(占45%)。

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臭氧污染不降反升,呈现出“按下葫芦浮起瓢”的新局面。有研究表明,大气中细颗粒物如PM2.5的降低可使臭氧问题更加突出。这是因为细颗粒物的化学特性可通过反应吸收大气中的氢过氧基(HO2)和氮氧化物(NOx)的自由基,而它们都是形成臭氧所需的重要前体物。因此,臭氧的形成在高浓度细颗粒物的背景下受到了一定抑制,而当细颗粒物浓度下降时,臭氧的生成反应会更多量更高频地发生。除此之外有研究表明,在细颗粒物浓度下降时同步带来了更好的紫外线穿透度,也变相增加了促成臭氧污染生成的外界条件。

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今年1、2月出现的臭氧快速同比增长反映出了高温及大气化学中自由基的上升对其生成反应的促进影响。3月已出现大规模复工复产,使空气中的自由基浓度下降,而使臭氧同比出现小幅下降。4月,由于温度进一步升高和其他污染物的增长,臭氧的前体物过多并促使了臭氧生成和增长。这使得在细颗粒物下降而臭氧上升势头明显的重要交替关头,其他污染物和臭氧的协同治理需要得到严格的关注、调查和防控。

臭氧污染逐年上升

叠加气候变化影响程度深远

其实,自2015年开始,臭氧的平均浓度逐年增长,逐渐逼近中国二级标准限值,超标天数也随之不断升高,成为了继PM2.5之后空气污染治理攻坚的又一核心。

2015-2019年起臭氧逐年增长态势。数据来源:生态环境部历年生态环境状况公报 注a,b:根据《生态环境部发布《环境空气质量标准》及配套环境监测标准修改单》[1],由于2019年开始空气污染物测量方法发生改变,虽2019年的臭氧全国平均评价值以及超标天数比例高于2018年数值,根据生态环境部发表的《2019年中国生态环境状况公报》,2019年的臭氧浓度和超标天数比例较2018年实际上皆有所上升。

从臭氧历年趋势图可观察到,从2015年开始,臭氧每年的最高点位都在不断上移,并在2020年1、2和4月呈现超过往年同期水平的快速上升趋势。在2015年至2020年间,全国平均出现重度污染(臭氧值>=150μg/m3)的高峰值在2017、2018年开始密集出现,集中在春夏交替的4月到6月发生。

2015-2020臭氧浓度趋势图 © 绿色和平

不仅臭氧污染逐年增长且峰值较2015年出现频次变高,每年臭氧高峰的到来也在不断提前。2020年4月16日,中国臭氧评价值就已接近世界卫生组织(WHO)准则值100μg/m3,达99.1μg/m3。而2019年达到该污染值的时间为5月初,臭氧污染来到的脚步在逐步加快,不可小视。

超过浓度150μg/m3的高峰值分布 © 绿色和平

通过去除气象影响后用增长回归树模型测算,2020年1月到3月臭氧排放水平平稳而高于同期水平,并由四月初开始快速上升。除去气象影响,人为排放的臭氧前体物增多也是今年臭氧水平同比增高的重要原因。

近地面臭氧浓度观察值和去除气象影响后的预测值 © 绿色和平

臭氧污染:人为排放需要区域“定制”

与高层大气臭氧层不同的是,地面的臭氧是光化学烟雾的主要组成部分。区域臭氧污染的形成由人为排放和气象因素共同影响,它是在紫外线和前体污染物——由诸如车辆和工业释放出的氮氧化物(NOx)等污染物以及由机动车、溶剂和工业释放的挥发性有机化合物(VOCs)存在的条件下,在大气中发光化学反应形成的。因此,不同的污染源及产业结构导致各个区域的臭氧污染成因及最高效的治理路径也不尽相同。

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根据国家统计局数据,今年第一季度,全国规模以上工业增加值同比下降8.4%,其中,与交通个人出行有关的汽车制造业增加值同比下降26.0%;在疫情顶峰的2月,中心城市客运总量仅为去年同期50.7%,下降近一半。工业和交通等污染直接排放源的减少直接导致了PM2.5、NO2等相关污染物下降。

但即使考虑到工业和交通的减少,污染基数仍十分庞大,基础原材料和新产品生产保持增长,与臭氧前体物NOx和VOCs排放有关的化学药品原药、原油、十种有色金属、乙烯、粗钢、生铁和平板玻璃产量分别增长4.5%、2.4%、2.1%、1.3%、1.2%、2.4%和1.9%,第二产业增加值达73638亿元。

因此,在人为污染物排放仍处于高位的背景下,臭氧前体物因天气回暖、温度同比上升而在空气中的生存时间更为稳定持久,使得臭氧的迅速形成并累积在环境中,造成浓度的同比上升。不仅如此,各地臭氧升高的原因通常不同,更是受到当地工业结构、汽车保有量和地理环境特征影响,因此,需要根据产业结构及自身特点针对不同区域、城市有针对性的进行臭氧污染成因分析和污染控制。

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在京津冀地区,本地NOx的高排放量为臭氧生成提供了充足的前体物;而由于燕山与太行山系对该区域的主导风向产生了屏障作用,不利于大气污染物的稀释和扩散,并使远距离传输的臭氧及其前体物在京津冀地区容易积聚,一旦受到高温条件影响,臭氧污染则会急剧严重。

在有机化工、石油炼制较为发达的长三角地区,臭氧前体物VOCs排放量较大,通过对VOCs的严格排放控制将能使该地区的臭氧污染有效减少。

在珠三角地区,由于主要来自于固定燃烧源的NOx本地源的高排放量和区域源的传输作用使得O3生成主要受VOCs控制,加之珠三角地区的高温使得光化反应更为复杂。

短期气象因素和长期气候变化

将共同影响臭氧污染

作为一种光化学反应,臭氧生成受气候影响明显。根据美国海洋与大气管理局(NOAA)的全球天气数据,2020年前三个月,中国平均温度较去年同期上升34.4%。通过对2019-2020年初的臭氧污染数据及潜在成因进行研究后可发现,气温、相对湿度以及风速对臭氧浓度的影响最为明显。高于25摄氏度的气温、小于2米/秒的风速、或低于75%的相对湿度条件都与高臭氧浓度的出现有明显关联。


臭氧在高温、低风速时将会达到最高浓度。特别是对于已存在臭氧污染的区域(臭氧浓度大于120μg/m3),高温和长时间的日照使得光化学反应活跃,臭氧污染会进一步加重。包含了丰富的臭氧前体物NOx和HOx自由基的过氧乙酰硝酸盐(PAN)和部分类别的VOCs的稳定性在高温情况下更高,而高温天气带来的静稳现象更利于近地面臭氧的积聚。

在背景污染物浓度已明显较高的区域和重污染时间区间内,与气候变化随之而来的高温事件、静稳和极端天气会使臭氧污染加重并累积,带来更高的臭氧浓度水平且不易扩散,对城市和高污染期将产生更大的影响。去年夏天,全国多个省份出现高温少雨的气象条件,2019年9月,北京、天津、吉林、湖北等地的平均气温为1961年以来历史同期最高或次高水平,华北、华东、华南地区降雨量普遍下降50%,使臭氧浓度同比大幅提升,超标天数明显增加。

已有的科学结果一致表明,21世纪的气候变化将加重臭氧污染,大气传输模型表明近地面臭氧浓度与气候变化带来的温度上升同步增高。由于气候变化影响,未来的气象形态会使全球环境承载能力随之减少,在现在污染物排放的程度基础上,未来的气象条件将更不利于污染物的扩散,从而导致臭氧和颗粒物等空气污染物积聚,使污染事件更为频繁和严重。科学家预测,气候变化将为全球超过55%的人口带来受空气静稳天气(地面风速小、大气稳定的底层大气特征,可造成大气自净能力降低和污染物不易扩散)增加的影响,尤其是在中国和印度。事实上,中国高温天气逐年增多且大气环境容量减少,这些都与近年来在全国范围内各地的臭氧污染上升趋势呈现相关性。

防控看不见的臭氧污染,打好蓝天保卫战

臭氧与颗粒物污染对人们健康影响造成的危险同样严重。与颗粒物相比,臭氧浓度的超标更不易被人们察觉。当PM2.5超标时,空气能见度下降,人们容易感知污染的存在,及时采取防范措施。而除了仪器监测,普通人难以察觉臭氧浓度超标,进而容易忽略这一污染。臭氧对人体呼吸系统可造成较大刺激并引发多种健康风险,如咽喉肿痛、胸闷咳嗽,强烈时,还会引发支气管炎、肺气肿、并加重已有的呼吸系统疾病。同时,臭氧还会刺激人的神经系统,造成头晕头疼、视力下降、记忆力衰退,并破坏人体皮肤中的维生素E和免疫功能。

© 绿色和平制图

这次疫情使得人们出行需求骤减,以及大部分工业生产活动小幅下降,让人们看到了交通方式及工业生产活动的减少对整体提高空气质量的明显影响。而仍然稳定的污染排放基数、大气中臭氧前体物的浓度上升加上全球暖化的效应,使得臭氧污染问题在尤其是城市中心进一步得到凸显。

臭氧污染治理已经成为国家目前关注的重点。生态环境部表示,臭氧污染增长趋势明显,是今年工作中控制颗粒污染物之外目前需要攻克的主要问题。臭氧严格防控成功可能是影响明年蓝天保卫战收官达成80%的优良天数比例的重要指示牌。

臭氧治理需要因地制宜,限制人为污染物排放对降低臭氧污染十分重要。人为源臭氧前体物排放主要来自电力、石化、化工、工业涂装等行业和机动车等移动源。提高臭氧前体物的监测手段和排放标准,公开污染物数据以拓展社会各方的研究,加强监管网络并使工业生产能为高效清洁,只有加速严格控制污染物排放的行动,而非维持现状,才能避免将来出现更为严重的空气污染问题。

同时,通过切实的观察和分析,得到针对各地可行的控制污染的方案也势在必行。我们可以借鉴“京津冀2+26城市大气污染传输通道”的研究方法,厘清各地臭氧前体物的时空分布及传输特点,倡导各区域联合防控臭氧污染,在臭氧易发高发时段倡导错时生产、统筹应急减排工作,以达到控制臭氧污染的成效。

气候变化影响着与我们每个人息息相关的生态系统,气候变化对气温和气流循环的影响也可能加剧我们身边的空气污染,从而影响人们的呼吸系统和神经系统等方面健康。在气候变化带来高温及极端天气的影响以及大气化学成分变化的情况下,减缓气候变化也是治理空气污染尤其是臭氧污染的必要举措。中国的能源结构依然由高碳排放的化石能源煤炭主导发电,中国应坚定向低碳清洁化能源的方向发展,合理调整能源结构以及高碳排放产业规划,加快淘汰或替代高碳排放产能,制定利于清洁能源发展的政策。

我们需要推动有力的政策敦使工业及电力系统改用清洁能源,使未来的出行方式更加清洁低碳。就个人而言,每个人都可以成为一名低碳践行者,通过减塑、多使用自行车或电动车等清洁交通工具,加入到减缓气候变化、预防空气污染加剧、打赢蓝天保卫战的队列中来。

此项目已在北京获得临时活动备案

作者:
邱程骋 绿色和平气候与能源项目主任
冯雪莹 实习生
网站编辑:陈羲和