客观日本

大气污染对策(2)

2011年12月28日 科技交流

1. 前言

近年来,亚洲地区的经济不断发展,能源消费增加,大气中的排放量也在增加。在大气中的排放物转移期间,会发生化学反应,出现向其他物质的转化、气体向粒子的变化。在观测越境大气污染时,根据不同的预测影响类别,观测的对象物质也有所不同。关于环境影响,可以大致分为健康影响、生态影响与气候影响三种,大气污染物与这三种影响均有关系。首先,就大气污染所涉及的影响与对象物质进行介绍。

臭氧是影响人类健康的物质之一。当以臭氧为主要成分的光化学氧化剂浓度升高时,眼睛、喉咙感到疼痛等健康受到危害的症状趋于明显。当预计浓度超过120ppbv的光化学氧化剂将持续一个小时以上时,会发出“光化学烟雾预警”。最近发生的事例有,2007年5月在北部九州地区观测到高浓度臭氧,因此发出“光化学烟雾预警”,并停止运动会等户外活动。而针对2007年的高浓度臭氧异常事件进行分析的结果表明,在空间尺度上超过500km并含有80ppbv以上高浓度臭氧的气团由中国北部沿岸向日本列岛转移,而报告显示,来源于中国的臭氧对日本九州地区的“贡献率”高达40-45%。(大原等  2008)

影响健康的不仅限于臭氧,美国的Dockery等人通过对美国六所城市进行的流行病学调查结果表明,微小粒子(PM2.5) 与硫酸盐也同样影响健康(Dockery et al. 1993)。国立环境研究所也针对大气中微小粒子的活动与健康危害进行调查后指出,微小粒子等对循环系统有影响,可能诱发细胞的氧化应激反应(若松等  2006)。被称为沙尘或黄沙、来源于土壤的粒子状物质原本来源于自然,虽然其与来源于人为的污染不同,但在中国等地观测到的沙尘暴也对人体健康带来了严重影响。有报告显示,附着于黄沙表面的大气污染物与细菌(革兰氏阳性球菌等)等也与黄沙一起转移到日本(Kobayashi et al. 2007)。此外,由于人类活动而产生的铅及水银等重金属也一同飞来,研究这些物质对健康造成的影响问题也非常重要。

在对于生态系统的影响方面,可以举出酸雨问题。酸雨问题不仅会引起森林枯损与湖沼酸化等生态系统变化,还可能造成材料与文化遗产的腐蚀。环境厅(当时)于1983年开始针对酸雨实施调查并持续至今。据酸雨长期监测计划(环境省)显示,“东亚地区在经济迅速发展的同时也带来大气污染等深刻的环境问题,今后令人担心的是,包括酸雨在内的越境大气污染会进一步加剧”。

据2004年度《酸雨对策调查综合总结报告》显示:

  • Ø 在日本全国范围内观测到的酸雨情况与欧美相似,同时在日本海一侧的地区发现了来源于大陆的污染物流入。
  • 目前,并未发现因酸雨而引起植被衰退等生态系统危害以及土壤酸化等问题。

目前,虽然酸雨的影响并未加剧,但已发现由于越境转移而造成污染物进入日本的现象,今后有必要继续进行观测。

作为针对东亚地区酸雨问题的第一步举措,建立了“东亚酸沉降监测网(EANET)”。在日本的主导下从1998(平成10)年开始试运行,并在经过政府间协商决定后,从2001(平成13)年开始正式运行。在EANET框架之下,由东亚各国建立监测站并构建起东亚的酸雨监测网络。此处所述的东亚包括中国、韩国、日本、东南亚各国、远东俄罗斯、蒙古。在EANET中要求测量并公开SO2、NOx、降雨中的离子成分等(请参考EANET主页及ADORC 2005等)。作为亚洲地区的国际协定而监测大气环境并公开数据的做法可谓具有划时代意义,是加深相互理解的重要一步。

在气候影响方面,二氧化碳等气体的作用非常重要,而微小粒子与黄沙也起着重要的作用。不过,目前仍有很大的不确定性。元素碳为黑色,可吸收光。硫酸盐则是透明的并对光进行散射。据称,在有机物、硫酸盐以及元素碳混合形成一个粒子时,如果能够阑明该粒子散射(吸收)光线的能力,这对预测东亚地区的气候变化将非常重要。此外,对于这些物质与黄沙混合等情况,阐明其光学特性也非常重要。不仅如此,硫酸盐与有机物还具备了在形成云时所必须的云核的作用,也就是说,可以将其作为估算间接效应(形成云与降雨)时的重要参数。

如上所述,大气污染物有许多种,同时也在各种领域释放影响。为此,需要通过合适的观测方法而尽可能地进行综合观测。

 2. 针对东亚越境大气污染的观测

 

在越境大气污染方面,有三个重要的研究要素,分别为排放量、转移过程、化学反应。首先我们将进行说明,并在最后介绍一下我们最近进行的观测。

2.1 东亚地区排放量的增加

在亚洲地区,随着经济的发展,能源消费在增加,大气污染物的排放量也在增加。据最近的排放量推算结果显示,中国、印度的二氧化氮(NOx)、挥发性碳氢化合物(VOC)排放量正在增加(Ohara et al. 2008)。2003年中国的NOx排放量约为1980年的3倍,而排放量大的地方,已经覆盖了中国沿海至内陆的广大地区。我们与中国的研究人员联合在大连与青岛附近对臭氧与二氧化硫(SO2) 等进行了观测(Takami et al. 2006)。结果显示,在冬季SO2最高曾超过80ppbv。不仅在城市,即使在周边的山区也同样观测到高浓度的SO2。另外,根据飞机观测的结果显示(Hatakeyama et al. 2005),在从海上进入山东半岛开始,随着与青岛之间的距离拉近,臭氧浓度不断上升,在到达青岛时浓度达到60ppbv,青岛近郊的SO2与NOx分别上升至接近40ppbv与20ppbv。从而可以看出,城市地区大气中的污染物浓度很高,中国的污染物排放量在不断增加,大气污染情况非常严峻。

2.2 物质转移

在考察越境大气污染时,天气尺度系统气象条件基本上决定了其转移过程。日本夏季为太平洋高气压所覆盖,从而为日本带来太平洋上的比较清洁的空气。反之,冬季则受大陆性高气压所支配,物质也伴随着来自大陆方向的寒流转移过来。而在春季,移动性高气压由中国大陆向日本移动,伴随前锋的高低气压交互通过日本。在春季,当前锋通过后,可以看到SO2、一氧化碳(CO)等气体状大气污染物与粒子状物质浓度上升的现象。在大多数情况下,当前锋通过东海后,高气压进入中国大陆沿岸,从山东半岛至九州冲绳地区,也就是说由东海的西北至东南方向形成风场。而物质则通过该风场转移而来。

从物质转移的观点来看,气象要素是决定性的原因。由冬至春,形成了容易由中国大陆向日本转移物质的气象条件。如前所述,如果中国沿岸排放出大量的大气污染物,则容易发生越境大气污染。

2.3 物质的变化

在排放源附近,排放的SO2、NO 、VOC等物质也在大气中经过光化学反应等而变成各种各样的物质。SO2在大气与云滴等液滴中被氧化而变成SO42-。当转移过程中天气变化时,SO2与物质的反应速度也会变化,造成转移后的物质组成也同样发生变化。氮化合物的情况略为复杂,在发生源方面,NO、NO2对臭氧的反应循环起到推动作用。另一方面,NO2也会因反应而变成气体状硝酸(HNO3),并由于干性或湿性沉降而消失。不过,在有氨(NH3)时则会变成硝酸铵(NH4NO3),生成微粒子。此外,粒子状的NH4NO3在转移过程中,有时也会被黄沙等粗大粒子所夹带而转移。如上所述,由于氮氧化物在发生化学反应的同时出现气体、粒子等方面的形态(态)变化并被转移,因此例如在评价越境转移时不能仅测量Nox,还需要测量气态与凝结态(粒子)的氮氧化物(Takiguchi et al. 2008)。

而有机物的情况则更为复杂。原有的排放形态中,存在着VOC、作为一次粒子的有机碳(OC)与元素碳(EC)。此外,VOC、OC的成分很多,人们经常使用气相色谱仪等对汽车尾气中有机成分的组成进行分析,从而得知存在许多峰区并含有多种物质。有报告显示,当这些VOC、OC被排放至大气中后,经过光化学反应,会生成各种物质(羧酸、醛、酮、过氧化物)等,当蒸气压降低时还会生成粒子状物质。当EC为这些有机物吸附时,疏水性的EC就会被镀上一层亲水性有机化合物膜,从而改变光学性质(Shiraiwa  et al. 2009)或者促使云核形成。

这些SO2、NOx、VOC的反应与臭氧生成并不是无关的,大气中所有的反应都彼此相关。仔细研究生成臭氧的反应体系就会明白,不过VOC方面的物质种类众多,即使将二次粒子的生成等也纳入研究视野,仍然还有许多疑问。当将削减VOC与Nox作为臭氧对策时,为评估其削减效果,需要事先理解以臭氧为中心的反应。并且,二次粒子的生成对于评价微粒子影响健康与气候的问题来说也很重要,为此,更需要了解SO2、NOx、VOC以及臭氧在大气中的动态。

 2.4 越境大气污染物的观测事例

国立环境研究所从20世纪90年代开始实施大规模的飞机观测,并且还通过计算机模拟等方式研究东亚的越境大气污染问题。近年来,我们在冲绳北部的边户岬以及长崎县的福江岛主要使用一种名为气溶胶分析仪、可通过高时间分辨率测量粒子状物质的组成与粒径分布的装置来进行观测 (Takami et al. 2005, 2007, Takiguchi et al. 2008)。通过观测微粒子浓度的长期变化,掌握因经济发展带来的物质排放量与转移量的变化,并为获得与硫酸盐、硝酸盐、有机物等粒子状物质内含有的各种成分的变质与混合有关的知识而进行观测。此外,为推算排放量并验证大气模拟结果,也需要在相同的标准下进行长期连续的观测。

越境大气污染的典型事例如下所示。图1为2005年在冲绳边户岬观测到的SO2、臭氧、以及粒子内所含SO42-的浓度变化。从2005年3月18日的深夜至次日清晨,SO2、SO42-的浓度均急剧上升。在天气图中, 3月18日上午,前锋通过冲绳附近向太平洋移动,而高气压则向北京的南面移动。根据轨迹分析,气团由上海至山东半岛的中国沿岸地区转移而来。气团容易从大陆方向移动过来,可以推测3月18日观测到的浓度上升原因是来源于中国的气团转移。

图1 2005年在冲绳边户岬观测到的SO2、臭氧以及粒子内所含SO42-的浓度变化

 在1992年左右,国环研村野等人在冲绳边户岬通过采样过滤器对粒子状成分的组成进行观测(Murano et al. 2000)。当时粒子中所含SO42-的浓度大约为3gm-3。我们从2003年10月开始连续使用气溶胶分析仪对微粒子的组成成分进行分析。结果发现最近几年的SO42-值大致按5-6gm-3的水平推移演变,与原先比较,浓度处于上升的态势。目前正在研究这是否源于中国的SO2排放量增加而致。

随着经济的发展,中国VOC、Nox的排放量正在增加。此外,中国还在大量地使用氨(NH3)作为肥料,氨虽然不属于大气污染物,但如前所述,它对粒子的生成起到了重要的推动作用。粒子中所含的铵盐以硫酸盐等形式而存在,并成为微粒子中的主要成分。为了阑明冲绳边户岬该氮化合物的动态,针对反应性的总氮氧化物(NOy)、气体状硝酸(HNO3)、粒子状硝酸(NO3-)、氨(NH3)、氨离子(NH4+)展开研究。通过目前正在进行的研究可知,在由中国大陆转移而来时,是以氨盐的形态进行转移的。也就是说,即使是播撒氨(NH3),在越境转移的过程中,也是以凝结状态(粒子)进行转移的。

 3. 结束语  越境大气污染研究的课题

 

鉴于东亚的气象要素与经济发展情况,预计今后大气污染物仍会继续由大陆向日本转移。在制定对策时,需要各国在有关物质排放量、大气中的物质转移与反应方面拥有共同的科学见解。有效的办法是由各国在共同的框架下展开活动,共享数据等,并在共同的基础下展开讨论。幸运的是,如EANET所代表的一样,这样的框架已经开始运转并积累了一定数据。今后需要增加观测项目、发展观测技术并扩充观测站点。但是,仅靠现有的观测在解释新现象时仍存在困难,因此我们认为应该如同冲绳边户岬观测站那样,使用最先进的仪器实施综合性观测,覆盖所有必要的观测项目。此外,如仅靠地面观测,仍存在代表性问题与垂直分布等问题,因此今后还需要充分灵活运用飞机观测、船舶观测以及卫星观测等方法。

用于掌握越境转移的实际情况并评价其影响的手段正取得日新月异的进步,以中国、韩国为代表的东亚研究人员的意识觉悟也在提高,今后科学研究也将不断进步。此外,人们的意识觉悟也需要变革,如果人们能够对东亚在10年或50年后的理想状态拥有共识,相信大气环境也会得到改善。

 

 

参考文献

大原利真等,大气环境学会杂志  第43卷  P198-208  (2008)

若松伸司等,国立环境研究所特別研究报告  SR-74-2006

ADORC, Data Report on the Acid Deposition in the East Asian Region 2005,Niigata,Japan

Dockery, D.W. et al., NEJM  329 p1753-1759 (1993)

EANET  http://www.eanet.cc/jpn/

Hatakeyama, S., Takami, A., et al., Atmos. Environ. 39 (2005)  5893-5898

Kobayashi et al., Earozoru Kenkyu 22 218-227 (2007)

Murano, K., et al., Atmos. Environ. 34 5139-5149 (2000)

Ohara et al., Atmos. Chem. Phys., 7 4419-4444 (2007)

Shiraiwa, M., Kondo,Y., Takami, A., et al. J. G. R., D24210, doi:10.1029/2008JD010546 (2009)

Takiguchi,Y., Takami, A., et al., J.G. R. , doi10.1029/2007JD009462(2008)

Takami, A., et al. Atmos. Environ. 39  4913-4924  (2005)

Takami, A., et al., Atmos. Res. 82 688-697 (2006)

Takami, A., et al., J. G. R. D22S31 doi:10.1029/2006JD008120 (2007).

 

 

高见  昭宪

简介:

国立环境研究所亚洲自然共生研究组亚洲广域大气研究室室长。

专业:大气化学、主要是微粒子(浮质)的观测与化学变质的研究。

1988年  京都大学工程学系工业化学专业毕业

1993年  牛津大学研究生院修完(物理化学D.Phil)

1993年  東京大学研究生院工程学系研究专业化学系统工程学专业助手

1999年  国立环境研究所大气圈环境研究领域大气反应研究室主任研究员 

2007年  国立环境研究所亚洲自然共生研究组亚洲广域大气研究室室長

2008年  名古屋大学研究生院环境科学研究专业客席教授

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