2019年初,全国各地最近都在陆续发布2018年蓝天保卫战成绩单,细颗粒物(PM2.5)、可吸入颗粒物(PM10)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、臭氧(O3)、一氧化碳(CO)六项常规污染物中,臭氧是众多城市报告中唯一不降反升的污染物,如何减少臭氧污染,在接下来的“蓝天保卫战”中变得至关重要。



中国自2013年开始监测和发布臭氧污染状况以来,74个重点城市的臭氧浓度一直呈现上升趋势,2017年平均浓度达167μg/m3,首次超出国家标准。有专家指出“导致这一现象的原因是我国对一次污染源控制非常重视,但对二次污染控制的力度还不够。VOCs是臭氧生成的重要‘燃料’。强调VOC和氮氧化物协同控制,特别是近期强调VOCs控制是改善空气质量最核心的问题。”


美国在三十多年前便开始使用光化学污染监控网络(PAMS)来监测臭氧(O3)及其前体物数据,这些定量的分析为策略性治理臭氧污染打下了坚实的科学基础。在全国多数大气污染物治理取得一定效果的情况下,也到了该重视臭氧(O3)问题的时候了。这方面,可以学习一下美国的做法。


BTW顺便说一句,美国的臭氧(O3)污染比细颗粒物(PM2.5)污染严重得多,因为他们的PM2.5污染已经基本治理好了,很时候,许多城市的PM2.5浓度只有个位数,50可能称称得上爆表了。


美国:三十年PAMS研发探索历程

1940年至 1960年间,美国洛杉矶的光化学烟雾事件催生了著名的《清洁空气法案》,也引发了整个美国开始下大力气治理空气污染。


自1980年起,美国全国的臭氧污染水平整体一直在下降,但美国西部等部分地区仍然深受臭氧污染的影响。


臭氧生成的前体物包括氮氧化物(NOx)和挥发性有机物(VOCs),NOx和VOCs在阳光照射的条件下,发生一系列光化学反应,产生臭氧污染。


▲来源:美国环保署网站


1990年,美国修订清洁空气法案,要求各州必须要开展臭氧、VOCs和NOx的监测工作,并在臭氧浓度不达标地区建立PAMS,从而开始了长期且广泛的光化学污染监测。


PAMS的建立,不仅可以提供臭氧及其前体物更为全面的信息,也提供了环境空气质量的变化趋势,这些数据信息对分析臭氧来源、制定臭氧控制相关策略提供了重要的依据,是科学治理臭氧的根基。


美国的PAMS分为国家级站点和地方级站点,可监测臭氧、NOx、VOCs等污染物和气象参数(风速、温度、太阳辐射等)。


国家级站点设置在人口大于一百万的城市,地方级站点设置在那些根据臭氧8小时浓度标准被评为“中等、严重、很严重、极度严重”的不达标城市,属于地方的增强型监测。


▲美国PAMS站点地图


按照美国环保署的要求,如果要建立PAMS,当地环保部门需要将其纳入新一年的年度监测网络计划,并且PAMS的监测要符合国家质量保证项目规划(QAPPs)。

美国臭氧污染水平现状

到目前为止,美国已经在24个区域建立了PAMS,主要集中在东西海岸地区。在PAMS网络的监测下,臭氧治理取得了一定成效。


近年来,美国政府不断降低臭氧排放标准限值,目前美国国家环境空气质量标准中8小时臭氧的年均浓度限值为70ppb(150mg/m3)。各区域的臭氧预测和监测数据可以在美国环保署Airnow网站(www.airnow.gov)和各州的网站上获得。


下图显示了 2015-2017年间美国第六区及部分周边地区臭氧监测站的位置与监测到的臭氧污染水平,可以看出,只有在新墨西哥州和德克萨斯州的部分站点(深黄色点位)的臭氧水平是超标的,大部分地区的污染水平是低于国家标准70ppb的,这些达标地区的臭氧浓度也是通过近几十年的不断治理才下降到现在的水平。


▲美国第六区及部分周边地区的臭氧监测站-地面臭氧浓度

PAMS用数据说话

PAMS可以提供非常丰富的监测数据,帮助研究人员有效发现臭氧浓度变化的原因,从而更有针对性的制定控制策略。下面两个案例便是用PAMS监测到的数据来分析臭氧的成因。 


案例1 埃尔帕索市臭氧浓度为何停止下降

埃尔帕索市位于美国德州西部,下图可以看出该地区的日最大8小时臭氧污染水平从1986-1988年间的92ppb降到了2008-2010年间的71ppb,但未能继续下降。

▲1986-2016年埃尔帕索市臭氧浓度趋势图


通过PAMS得到的数据进行分析,研究人员发现了其中的关键点:长期来看,臭氧前体物之一的NOx的浓度一直在下降。下图是每年6-8月5个不同监测点位的NOx浓度变化。

▲1986-2016年埃尔帕索市NOx浓度趋势图(每年6-8月)


而另一前体物VOCs的变化情况并没有这么乐观。该地区近年是VOCs敏感区,所以VOCs浓度的变化对臭氧浓度起到了决定性的作用。在整个VOCs浓度变化的趋势中,虽然烯烃在减少,但是烷烃却在增加。这使得VOCs总体浓度在2010-2017年间保持平稳,没有继续下降。

▲1996-2017年埃尔帕索市Chamizal站点早晨VOCs浓度趋势图


此外,该地区在2010-2017年间,气候变得更加温暖、太阳辐射也更强,也就是说,气象条件更利于臭氧生成。更为糟糕的是,来自墨西哥华雷斯市的跨国区域传输加剧了埃尔帕索市的臭氧污染。


结合PAMS提供的这些信息,研究人员得以调整臭氧治理策略,进一步降低该地区的臭氧浓度。


案例2 休斯顿的臭氧浓度降幅为何突然变小

休斯敦是德州第一大城市,下图可以看出,其日最大8小时臭氧污染水平从1997-1999年间的118ppb显著降到了2007-2009年间的84ppb,自2009年起降幅放缓,仅逐渐降至2015-2017年间的81ppb。

▲休斯敦市1986-2016年臭氧浓度趋势图


研究人员通过对PAMS得出的数据分析发现:在1986-2009年间,各监测站点数据显示臭氧前体物NOx和VOCs浓度均显著下降,这带来臭氧浓度的大幅下降,而在2009-2017年,虽然NOx浓度在下降,但VOCs浓度却是先升后降。

▲1986-2017年休斯顿市早晨NOx浓度趋势图(6-8月)

▲1996-2017年休斯顿Clinton Drive站点早晨VOCs浓度趋势图


除此之外,在2016-2017年间,气象条件相比过去更不利于臭氧生成,气温与太阳辐射强度略有降低,而且降水也略有增多。PAMS提供的这些信息,为休斯顿调整臭氧治理策略提供了科学依据。


本文转载自:亚洲清洁空气中心公众号。原标题为:美国环保署官员带你了解光化学污染监控网络PAMS。文前有部分内容为新补充。资源来源:以上整理自亚洲清洁空气中心第十三届中国城市空气质量管理研讨会美国EPA环境科学家Mark Sather的演讲“美国光化学污染监控网络(PAMS)的发展与应用”。