空气污染减排为何在冬季停滞不前？

　　美国的空气比十年前要清洁得多，但这些改善主要发生在夏季，这个季节曾经是雾霾所包含的颗粒物污染高发的典型代表，同样明显的改善在冬天却没有出现，是一直困扰人们的难题。
　　冬季雾霾中的宾夕法尼亚州。图：Lyatt Jaeglé，华盛顿大学。减排的季节性差异
　　尽管发电厂和车辆有害排放的全年总体水平较低，但冬季空气污染水平仍然很高，华盛顿大学的一项新研究找到了原因。
　　通讯作者Viral Shah在华盛顿大学的大气科学系博士生在读过程中，完成了这些研究工作，他表示：＂在过去10年左右的时间里，夏季空气污染水平迅速下降，而冬季空气污染水平却没有同样的改善。美国东部夏季的空气质量现在与冬季的几乎相同。我们已经查明化学反应过程，从而对减排的季节性差异进行解释。＂
　　研究显示，污染物在冬季遵循不同反应途径。
　　研究数据来自2015年WINTER（冬季运输、排放与反应调查）活动期间收集的观察结果。在华盛顿大学开展的这项活动中，研究人员在冬季花了六个星期的时间飞越废气流区域，从纽约市、巴尔的摩、辛辛那提、哥伦布、匹兹堡、华盛顿特区到俄亥俄河谷的燃煤发电厂。
　　该研究由NSF（美国国家科学基金会）资助，并得到NASA和NOAA（美国海洋暨大气总署）的实物支持。
　　冬季复杂的化学反应
　　形成雾霾的污染物有不同的组成，其中有两种比较重要的污染物，是硫酸盐和硝酸盐。硫酸盐主要由燃煤发电厂排放的SO2产生，而硝酸盐则是由人们所知的NOX产生。2007年至2015年间，空气质量法规将美国的SO2排放量降低到原来的68％，而在此期间，NOX减少了约三分之一。
　　同一时期内，在美国东部，这些污染物（硫酸盐和硝酸盐）的夏季污染水平减少到约为原来的三分之一，而冬季的污染水平只减少到原来的一半，这一现象的原因有待于进一步观察和验证。
　　研究的第二作者、WINTER的联合首席研究员Lyatt Jaeglé说：＂过去我们用于观察污染水平的空气质量模型在夏季表现很好，但是在冬季遇到了一些问题。现在我们有了一个更好的工具，可以看看在美国东部以及其他地方，如欧洲和亚洲，在区域尺度上改善冬季空气质量的最佳策略是什么。＂
　　在夏季，一些排放的NOX和SO2保留在气相中并被阳光分解或沉积在陆地上，其余的形成硝酸盐和硫酸盐形式的颗粒。随着前体污染物的减少，颗粒物的含量也会下降。
　　但新的分析表明，冬季空气的化学反应过程更为复杂。硫酸盐和硝酸盐的形成分别受到氧化剂的可用性和细颗粒物的酸度限制。这些限制在较低的环境浓度下会放宽，更容易形成污染物，并削弱减排效果。
　　在较少的阳光和较低的温度下，更多的化学反应，在现有颗粒或液体和冰云的表面上，以液相发生。这一阶段中，尽管前体污染物有所减少，但冬季空气中氧化剂对SO2反应的限制放宽，使SO2转化为硫酸盐的效率提高。而且随着颗粒物酸性降低，NOX更容易转化为硝酸盐。
　　因此，虽然空气质量法规已经减少了两种类型污染物的前体物排放，但危害人类健康的污染物总量减少得很慢。
　　Shah现在是哈佛大学博士后研究生，他解释说：＂这并不是说减排不起作用。只是减排中有抵消效果，抵消效果有一定的力量，我们需要进一步减排。一旦减排量大于抵消效果，那么冬季减排将开始表现得像夏天那么好。＂
　　实现减排预期
　　根据该研究显示，除非减排量超过目前的预计，否则至少直到2023年，冬季的空气质量才将渐渐提高。按照这一速度，还需要几年时间，排放才能达到足够水平，以使冬季污染开始减少得更快。
　　Joel Thornton是本研究的第三作者，也是WINTER的首席研究员：＂本研究表明，了解前体污染物转化为细颗粒物的潜在大气化学反应，对于调整我们的减排预期至关重要；对于在减少细颗粒物浓度方面，如何优化未来的减排量以持续获得最大效益也是至关重要的。＂
　　研究结果表明，为改善美国东部和其他寒冷气候地区的冬季空气质量，需要更多的硫化物和NOX减排。
　　＂这项研究有助于解释为什么空气污染物（如硫酸盐和硝酸盐）的排放控制措施，在美国东部的冬季不如预想的那么成功，＂NSF的AGS（大气暨地球科学部门 ）项目总监 Sylvia Edgerton说，＂WINTER活动带来了一系列独特的冬季观察。他们证明，冬季的化学反应可以抵消空气污染的预期减排。＂
　　我国的大气污染也存在着冬季雾霾比其他季节更为严重的情况，与其它环境要素中的污染物质相比较，大气中的污染物质具有随时间、空间变化大的特点，污染物的稀释、扩散与迁移转化也在不断变化。但有关这方面的研究还比较少，需要重视和投入。近日生态环境部印发《长三角地区2018-2019年秋冬季大气污染综合治理攻坚行动方案》，表现了对长三角大气污染治理工作的高度重视，相信在不久的将来，在冬季也可以感受到明显的空气质量改善。
　　引用
　　1. Viral Shah, Lyatt Jaeglé, Joel A. Thornton, Felipe D. Lopez-Hilfiker, Ben H. Lee, Jason C. Schroder, Pedro Campuzano-Jost, Jose L. Jimenez, Hongyu Guo, Amy P. Sullivan, Rodney J. Weber, Jaime R. Green, Marc N. Fiddler, Solomon Bililign, Teresa L. Campos, Meghan Stell, Andrew J. Weinheimer, Denise D. Montzka, Steven S. Brown. Chemical feedbacks weaken the wintertime response of particulate sulfate and nitrate to emissions reductions over the eastern United States. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018; 201803295 DOI: 10.1073/pnas.1803295115
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