中國和美國地面臭氧污染對比分析

高 瀾,孟曉艷,樂 旭,張 霞

1.中國科學院大學,北京 100049

2.中國科學院大氣物理研究所,氣候變化研究中心,北京 100029

3.中國環境監測總站,國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室,北京 100012

4.南京信息工程大學環境科學與工程學院,江蘇省大氣環境監測與污染控制高技術研究重點實驗室,大氣環境與裝備技術協同創新中心,江蘇 南京 210044

臭氧(O3)是大氣中的一種微量氣體,90%以上存在于距離地表20 ～50 km 的平流層,保護地球上的生物免受紫外線的傷害[1]。 地面O3則是一種存在于近地面、對人體健康和植被生長有害的污染物,是由氮氧化物(NOx)和揮發性有機物(VOCs)在光照條件下發生光化學反應氧化而成[2]。 高濃度的O3會引發人體呼吸道和心血管疾病[3-4],破壞植物光合作用[5],降低陸地總初級生產力[6]。

20 世紀40 年代,洛杉磯光化學煙霧事件引發了人們對近地面O3污染的關注[7-9]。 美國對O3污染的治理經歷了盲目期(20 世紀40—50 年代)、推責期(20 世紀50—60 年代)、改善期(20世紀70—90 年代)和改善后期(20 世紀90 年代初以來)4 個不同階段[7]。 20 世紀90 年代初以來,美國O3濃度大幅下降,光化學煙霧基本消失[7,10-11]。

機動車尾氣排放是中國城市空氣污染物的重要來源之一[12-14],也是造成光化學污染和灰霾天氣的主要原因之一。 自《大氣污染防治行動計劃》實施以來,中國空氣質量特別是細顆粒物(PM2.5)污染問題改善明顯[15],但東部城市秋冬季顆粒物污染仍較嚴重,夏季O3污染也逐漸凸顯[16-17],且O3污染和PM2.5污染在時間上呈交錯分布[18-19]。 彭超等[19]的研究表明,O3濃度超標城市主要集中在人口規模大的城市群。 LI 等[20]結合2013—2017 年地面O3數據,利用多元線性回歸模型去除氣象變率對O3濃度變化趨勢的影響,發現人為排放使中國東部特大城市群O3年增長趨勢達到了1×10-9～3×10-9(體積分數)。 監測結果顯示,20 世紀90 年代以來,中國地面O3濃度呈現顯著增長趨勢[21-25]。 由于O3與其前體物存在非線性關系[9],并且中國城市和區域存在大氣復合污染特征[26-27],中國O3污染治理與控制的難度較大。 此外,還存在基礎研究和監測機制不完善,前體物排放清單編制不完整等問題[16]。

2006 年,TIE 等[28]利用衛星數據結合大氣化學傳輸模型(MOZART-2),研究了中國東部和美國東部的大氣污染特征。 2012 年,中國頒布了《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)[29],全國338 個地級及以上城市相繼開展了O3監測。 LU等[30]利用2013—2017 年中國地面O3監測數據,與取自1980—2014 年《對流層臭氧評估報告》(Tropospheric Ozone Assessment Report,TOAR)的美國、歐洲、日本和韓國O3濃度進行了不同指標的對比。 結果顯示,O3污染在中國發生的強度、頻率及人體和植被的O3暴露度遠高于這些發達國家和地區。

本文對2015—2018 年中國和美國同期O3污染水平進行了對比分析,研究了兩國O3污染的季節變化特征,確定了O3污染較重時段,從國家、區域、城市、站點多個層面對比分析了兩國O3污染的時空變化特征,從全球視角揭示了中國地面O3污染現狀,以期為中國O3污染防治提供參考。

1 數據與方法

1.1 數據資料

本文所使用的中國O3數據來自中國環境監測總站實時公開發布的2015—2018 年1 436 個站點在標準狀態下(溫度為273 K, 壓力為101.325 kPa) 的逐小時O3數據(質量濃度,μg/m3),并按照《環境空氣質量評價技術規范(試行)》(HJ 663—2013)計算站點O3日最大8 h 滑動平均濃度(MDA8);美國O3數據來自美國環保署(https:/ /aqs. epa. gov/aqsweb/airdata/download_files.html)發布的2015—2018 年逐小時O3數據,以 及 1980—2018 年 各 年 度 平 均 MDA8(AVGMDA8)、全年第4 大MDA8(4MDA8)、全年第90 百分位MDA8(MDA8-90PER)、全年最大MDA8(MAXMDA8)數據(體積分數,10-6)。

本文基于站點O3數據開展相關統計分析。分析中美兩國O3污染季節變化特征時,采用月平均MDA8;對比年際變化時,采用AVGMDA8、4MDA8、MDA8-90PER 和MAXMDA8。

1.2 研究方法

對中國和美國O3站點數據開展質量控制,選擇2015—2018 年逐小時O3數據缺測率小于20%的站點作為研究站點,最終確定的中國站點個數為1 411,美國站點個數為1 381。 兩國O3日超標限值分別為160 μg/m3(中國)和0.07×10-6(美國)[16]。 為統一評價標準,本文采用中國標準狀態下的O3質量濃度開展相關評價,并根據公式(1)將美國O3體積分數換算成標準狀況下的質量濃度。

式中:X 是用混合比單位表示的氣體體積分數,10-9;A 是單位體積空氣中該成分的質量濃度,μg/m3;M 是氣體的分子量, O3的分子量為48 g/mol;μ 是氣體的摩爾體積,在標準狀態下,μ=22.41×10-3m3/mol。

2 結果與討論

2.1 中國O3 污染的季節變化特征

圖1 顯示,2015—2018 年,中國每個月份的O3濃度整體呈現逐年不同程度升高的趨勢,O3污染主要集中在4—9 月。 其中:4 月、6 月和8 月的MDA8 從2015 年到2018 年快速上升,2018 年6 月達到歷史最高值(136 μg/m3);5 月和7 月則在2017 年出現該月份的濃度最大值。 2018 年3月、10 月 的MDA8 分 別 為101、99 μg/m3,比2015—2017 年同期分別增加了20. 2%、22. 8%,反映出O3污染時段有所延長。 2018 年O3污染時段為3—10 月,月平均MDA8 范圍為99 ～136 μg/m3。

圖1 2015—2018 年中國所有站點月平均MDA8Fig.1 Monthly average MDA8 of all sites in China during 2015-2018

2.2 美國O3 污染的季節變化特征

圖2 顯示,2015—2018 年,美國O3污染主要集中在4—8 月。 其中:2018 年4 月、5 月、7 月的MDA8 較往年同期明顯升高;2016 年6 月的MDA8 為歷史最高值(104 μg/m3),比中國月平均MDA8 歷史最高值(136 μg/m3)低了32 μg/m3;8 月 的 MDA8 在2015—2016 年 有 所 下 降, 在2016—2018 年呈上升趨勢。 2018 年O3污染時段為4—8 月,月平均MDA8 范圍為95 ～104 μg/m3,低于中國(99 ～136 μg/m3)。

圖2 2015—2018 年美國所有站點月平均MDA8Fig.2 Monthly average MDA8 of all sites in the US during 2015-2018

2.3 中美O3 污染的空間分布對比

由表1 可知,2015—2018 年,中國AVGMDA8平均值為91 μg/m3,略高于美國(88 μg/m3);中國4MDA8、MDA8-90PER 分別為201、150 μg/m3,分別較美國高出40.6%、26.1%。 此外,京津冀、長三角、珠三角地區2015—2018 年AVGMDA8、4MDA8 和MDA8-90PER 平均值均高于全國平均值,四川盆地2018 年4MDA8、MDA8-90PER 也高于全國平均水平,表明中國上述4 個區域的O3污染較為顯著。 美國O3重污染區域主要位于西部的加利福尼亞州(以下簡稱加州)[30]。

表1 2015—2018 年中美平均O3 濃度Table 1 Average O3 concentrations in China and the US during 2015-2018 μg/m3

2.4 中美O3 污染的年際變化對比

由 圖 3 可 知, 2015—2018 年, 中 國AVGMDA8、MAXMDA8、4MDA8 和MDA8-90PER整體呈快速增長趨勢, 其中, MAXMDA8 和4MDA8 在2015—2016 年和2017—2018 年略有下降;1980—2018 年,美國MAXMDA8、4MDA8 和MDA8-90PER 整體表現出顯著的下降趨勢。2015—2018 年,中國MAXMDA8、4MDA8、MDA8-90PER 的平均值分別為232、200、149 μg/m3,接近 美 國 1980—1990 年 平 均 值(221、 190、 157 μg/m3),表明當前中國O3污染極值處于美國20世紀80 年代水平[30]。

圖3 1980—2018 年中美O3 濃度年際變化Fig.3 Inter-annual variations of O3 concentration in China and the US from 1980 to 2018

2.5 中美主要污染區域對比

由表2 可知,2015—2018 年,加州AVGMDA8穩定在94 ～96 μg/m3,而中國4 個主要污染區域均呈現顯著增長趨勢,盡管長三角地區在2017—2018 年 略 有 下 降[圖4(a)]。 其 中:京 津 冀2015—2016 年AVGMDA8 略低于加州同期水平,而在 2017—2018 年明顯高于 加州; 長三角2015—2018 年AVGMDA8(98 ～106 μg/m3)始終高于加州同期水平;珠三角在2015—2016 年低于加州同期水平,在2017—2018 年與加州基本持平;四川盆地AVGMDA8 逐年平穩上升,但始終低于加州同期水平。

中國4 個主要污染區域4MDA8[圖4(b)]均高于加州(154 ～157 μg/m3),以京津冀(234 ～ 267 μg/m3) 最 高, 珠 三 角( 227 ～249 μg/m3)和長三角(218 ～239 μg/m3)次之,四川盆地(190 ～208 μg/m3)最低(表2)。 其中,京津冀和長三角地區在2015—2016 年和2017—2018 年略有降低,而在2016—2017 年顯著升高,這與中國4MDA8 的年際變化趨勢一致[圖3(c)]。 京津冀、長三角和珠三角地區4MDA8 在2017 年達到峰值,四川盆地則表現出逐年升高趨勢。

中國 4 個主要污染區域 MDA8-90PER[圖4(c)]同樣均高于加州(127 ～130 μg/m3),以京津冀(174 ～199 μg/m3)最高,長三角(165 ～175 μg/m3)和珠三角(147 ～167 μg/m3)次之,四川盆地(135 ～154 μg/m3)最低(表2)。 其中,珠三角和四川盆地2015—2018 年MDA8-90PER 逐年上升。

2.6 中美主要污染城市對比

美國1 381 個站點中,有14 個站點的2015—2018 年平均4MDA8 高于200 μg/m3,集中分布在洛杉磯(Los Angeles)、河濱(Riverside)和圣貝納迪諾(San Bernardino),因此,選擇這3 個城市與中國的北京、上海和廣州進行對比分析。

表2 2015—2018 年中美主要污染區域O3 濃度中位數Table 2 Median O3 concentrations in major polluted areas of China and the US from 2015 to 2018 μg/m3

圖4 2015—2018 年中美主要污染區域O3 濃度變化Fig.4 Variations of O3 concentration in major polluted areas of China and the US from 2015 to 2018

對比2015—2018 年中美主要O3污染城市AVGMDA8(表3),從整體來看,美國城市(94 ～121 μg/m3)高于中國城市(81 ～114 μg/m3)。 這可能是由于美國3 個重點污染城市位于盆地之中,通風及混合的減少有利于O3的生成[31]。 6個城市2015—2018 年平均AVGMDA8 由高到低排序為圣貝納迪諾、河濱、上海、北京、洛杉磯、廣州。 美國3 個城市均在2017 年出現峰值,在2018年明顯下降;北京和廣州呈逐年上升趨勢;上海則呈現較大波動,2015—2016 年、2017—2018 年明顯下降,2016—2017 年顯著升高[圖5(a)]。

對比中美主要O3污染城市4MDA8[圖5(b)],6 個城市2015—2018 年平均濃度水平由高到低排序為北京、上海、廣州、圣貝納迪諾、河濱、洛杉磯。 美國3 個城市在2017 年的4MDA8 仍然最大,2018 年略有下降;北京和上海在2015—2016年和2017—2018 年各有一次顯著降低,而在2016—2017 年顯著升高,波動較大;廣州在2017年出現峰值,在2017—2018 年出現了顯著下降,與珠三角地區變化趨勢一致[圖4(b)]。

對于中美主要O3污染城市MDA8-90PER[圖5(c)],6 個城市2015—2018 年平均濃度水平由高到低排序與4MDA8[圖5(b)]一致。 其中,圣貝納迪諾和廣州逐年升高,而北京則表現為逐年降低,洛杉磯、河濱和上海均在2017 年出現濃度最大值。

表3 2015—2018 年中美主要污染城市O3 濃度中位數Table 3 Median O3 concentrations in major polluted cities of China and the US from 2015 to 2018 μg/m3

2.7 中美站點平均O3 超標天數對比

由圖6 可知,2015—2018 年,美國站點各年度平均O3超標天數(指標準狀態下的MDA8 超過160 μg/m3,下同)為2 ～3 d;中國站點各年度平均O3超標天數呈現出顯著的增加趨勢,從2015 年的23 d 增加至2018 年的36 d。 這反映出目前中國的O3超標情況比同期的美國更為突出,且呈現逐年加重態勢。

圖5 2015—2018 年中美主要污染城市O3 濃度變化Fig.5 Variations of O3 concentration in major polluted cities of China and the US from 2015 to 2018

圖6 2015—2018 年中美站點平均O3 超標天數變化Fig.6 Inter-annual variations of days with O3 levels exceeding the Class Ⅱ Ambient Air Quality for a single site in China and the US during 2015-2018

3 結論

1)國家尺度上,中國O3污染主要集中在4—9 月(2018 年延長至3—10 月),而美國O3污染則集中在4—8 月。 1980 年起,美國O3污染水平逐年下降;中國O3濃度在2015—2018 年呈上升趨勢,其中,AVGMDA8 水平與美國同期水平相當,4MDA8 和MDA8-90PER 處于美國20 世紀80年代水平。

2)區域尺度上,中國O3污染主要集中在京津冀、長三角、珠三角和四川盆地,美國O3污染主要集 中 在 加 州。 2015—2018 年, 美 國 加 州AVGMDA8 基本穩定;中國4 個區域呈現顯著升高趨勢,其中,4 個區域2015—2018 年4MDA8 和MDA8-90PER 均大于加州, 京津冀和長三角2017—2018 年AVGMDA8 也高于加州。

3)城市尺度上,圣貝納迪諾和河濱2015—2018 年平均AVGMDA8 高于北京、上海和廣州,但4MDA8 和MDA8-90PER 低于中國上述3 個城市。

4)點位尺度上,2015—2018 年,美國站點各年度平均O3超標天數基本維持在2 ～3 d,而中國站點各年度平均O3超標天數從22 d 升高到36 d。