室外空气污染:了解、告知和预防的关键

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  室外空气质量现在是社会面临的一个重大挑战。本文旨在阐明空气污染事件中所涉及的现象,并描述它们对健康和经济的影响。这种意识促使国家当局和欧洲联盟提供空气质量监测和预测服务,如Prev’air和哥白尼大气区域系统。

  根据世界卫生组织和法国公共卫生部门的最新数据,2012年,室外和室内空气污染的综合影响将是导致全球650万人过早死亡和欧洲60万人过早死亡的原因[1]。虽然环境空气污染是一个非常古老的现象,但它是城市地区人口密集的结果(阅读大气污染),目前已成为公共卫生和环境的主要挑战(见图1)。

环境百科全是-空气-对汽车交通进行的测量
图1. 颗粒物污染当天加龙河谷的能见度降低,并当天对汽车交通进行的测量(图卢兹以南A64上的标志)。2018年2月25日。

  1996年12月30日的《空气和合理使用能源法》将空气污染定义为“人类直接或间接地将有害物质引入大气和封闭空间,这些物质可能危及人类健康、损害生物资源和生态系统、影响气候变化、破坏物质财产并造成过度恶臭污染”。

  污染物排放源可以是人为的,也可以是自然来源。空气质量是由这些污染物在不同天气条件下受到复杂现象造成的。气象条件有利于污染物的富集,或相反,有利于污染物在大气中的稀释或扩散,本文将通过实例进行介绍和说明。暴露于大气中的悬浮颗粒物或活性气体对人体毒害影响一直是众多研究的主题。这些研究结果要求实施法规并监测主要污染物超过核定阈值的情况,以供公众和决策者参考。为了更好地了解和预测产生这种污染的因素,数值模拟是运行预警和决策支持系统的基本工具之一。

1.天气条件:影响大气中污染物浓度的一个重要因素

  “大气”是指地球周围受重力影响的所有气体。地球的大气层和气体包络层一文描述了大气的组成及其物理和化学特征。污染现象涉及大气的前两层,即对流层(海拔在12公里以下,视纬度而定)和平流层(高达60公里)。影响平流层的污染主要表现为额外的温室效应(见大气污染),以及特殊天气条件和人类活动产生的卤代化合物(氯氟化合物或氟氯化合物)对保护性臭氧层造成的破坏。

1.1大气边界层

  在不同的天气条件下,污染物浓度变化最大的是对流层,特别是大气边界层。这一边界层是大气中受地球表面影响的部分;其厚度从几百米到几公里不等,取决于较大尺度的大气条件和表面特征[2]。地面摩擦力和温度的日变化对气流和温度有影响。

  在大气边界层,与人类活动有关的主要污染物(氮氧化物、硫氧化物、碳氢化合物和细颗粒)或自然来源的污染物(沙尘、海洋喷雾、植被等排放的挥发性有机化合物)也被释放出来。污染物排放到大气后,根据天气状况扩散或积聚(见图2),其来源和形成将在空气污染中描述。在下述条件的影响下,污染物或多或少会被迅速运输、稀释、溶解和清除:

  风的影响,其负责水平运输的距离可达几百公里。风速越高,污染物在排放源附近的累积就越少。

  垂直湍流的影响。在边界层内,垂直湍流有两个产生原因,一是由于下地表加热引起的热力原因,另一个是由地面障碍物引起的水平和垂直风切变的影响引起的机械原因。这种紊流还有利于污染物与地面、植被和遇到的各种障碍物接触时的稀释和干沉降。

  温度的影响,它直接影响污染物之间的化学反应速度,从而影响污染物的转化变成二次污染物。

  降水(雨、雪、雾)的影响。有些气态污染物可溶于水,并溶于雾滴或云层中。这被称为湿沉降,或者在粒子的情况下,云相中的气溶胶捕获。至于降雨,它会导致粒子和气体从云层下清除。

环境百科全是-空气-污染物迁移及其转化的简化图
图 2. 污染物迁移及其转化的简化图。[版权所有]

  因此,正是气象条件影响了该大气边界层的稳定性或不稳定性。

  所以,在白天晴朗的天空中,由于地面温度高于地表空气温度,随着地面变暖,不稳定大气层厚度增加。这种不稳定性使得污染物在周围的空气中被稀释。然而,到了晚上,地表会因辐射而降温。然后我们在几百米的范围内观察到一个逆温。在这一层中,空气的稳定性会影响污染物的扩散。

1.2冬季污染

  这种情况在冬季尤其明显,在反气旋和微风的情况下。由于白天太阳辐射较弱,持续时间较短,这个季节的温度逆温会持续几个小时。

  由于人类活动(交通、区域取暖、工业设施等)产生的污染物排放(NO2、 SO2、细颗粒物)滞留在下层并积聚在那里。此外,与这些寒冷事件有关的供暖使用增加了颗粒物排放。只有天气条件的变化,即扰动的到来、强化或风向的变化,才能通过清除污染物或垂直扩散污染物来结束这些事件。

  最后,特殊情况(山谷效应、地形起伏、海风或城市热岛)也可能通过有害化学元素的积累而导致污染现象。法国阿尔沃河山谷冬季颗粒物污染的反复发生就是一个例证。主要原因是在寒冷期间大量使用木材加热,以及由地形引起的封闭,有利于细小的碳质颗粒在靠近地面的一个薄而稳定的大气边界层积累。

环境百科全是-空气-来自国家空气质量预测平台的PM10 图
图3. 分析了来自国家空气质量预测平台的PM10 图。法国区域2016年12月5、6、7、8日,PM10日最大浓度,结合模型和观测。
[图片来源:© Prev’air]

  2016年12月初巴黎严重的细颗粒物污染事件说明了这一现象。气温偏低,天气情况为「稳定的反气旋型」,低层逆温(12月1日低于200米),全国大部分北部地区则有微风。这些条件有利于取暖引起的本地排放增加,并限制了城市(供热、道路交通)和工业源排放的污染物在大气中的扩散过程。

  在巴黎地区,巴黎大区空气质量监测协会(AIRPARIF)测得的PM10最高浓度在12月1日为146微克/立方米,12月2日为122微克/立方米。这样的水平可以将这一事件列为过去十年中最重要的冬季事件之一。随着一股东风的到来,形势得以缓解:风力较小,但方向不变,积累现象有限。

1.3夏季污染

  夏季,在最强太阳辐射没有的风的条件,污染物如氮氧化物(NOx)、挥发性有机物(VOCs)(包括碳氢化合物、甲烷和一氧化碳(CO))的累积,会在较低层产生臭氧。因此,几乎每年夏天,主要城市的光化学污染都会达到峰值。

  当风输送空气团时,污染发生在前体源的下风向。事实上,由二氧化氮形成臭氧的化学反应是可逆的,并且位于靠近一氧化氮强烈排放的地方(由于道路交通)。然后,臭氧可以与NO2分解过程中形成的一氧化氮发生反应,氧化生民二氧化氮。因此,有时在大城市附近的城郊地区或农村地区观察到的臭氧浓度高于聚集区的中心地区。

  这是一种城市臭氧烟羽现象。在城市污染物排放的上游,氧化剂浓度(总体为Ox,Ox=O3+NO2)与本底水平相对应。在城市的下风向,较低强度氮氧化物的排放不再允许臭氧的化学还原反应,臭氧恢复到其背景值,随着上风向二次产生和风水平传输而增加。

  生物排放的挥发性有机物。夏季,植物也会释放挥发性有机物,特别是在强烈阳光和高温的影响下。植被释放的挥发性有机物主要是异戊二烯(C5H8),主要来自落叶树木,针叶树则可释放出更复杂的萜烯化合物。挥发性有机物在大气化学中发挥着重要作用,并促进了臭氧和次级有机气溶胶等二次污染物的形成。在全球范围内,植被约占挥发性有机物排放量的90%,而人类活动则为10%[3]

  最后,我们不能局限于地方尺度来考虑严重污染事件:城市臭氧污染事件与空气质量传输密切相关,必须考虑到城市、区域和国家之间的相互作用,以量化这些现象。

  在这里,天气条件的变化(风向的变化,更大的云层覆盖)决定了污染过程的结束。

2.健康影响和经济成本

  大量的研究(例如巴黎第七大学细胞生理学和细胞毒理学实验室进行的研究[4])表明,高比例的暴露人群使城市和室内污染成为一个主要的公共卫生问题。毒理学研究和流行病学方法确定了短期影响,表现形式为接触后几分钟至几周内出现的临床表现,以及长期接触后几个月或几年的长期影响。这些影响导致有关人口的死亡率上升或预期寿命减少。

  虽然我们很早就已经认识到空气污染物对人类健康的危险,但在20世纪上半叶,1952年12月伦敦发生的造成4000多人死亡的严重污染事件之后,空气污染成为一个令人关切的问题(见大气污染)。

  确定污染物对健康影响的毒理学研究范围很广,从在实验室中对细胞培养物进行实验,到暴露于已知和受控数量污染物的动物或人体受试者。此外,通过统计工具,流行病学方法将对某些污染物的测量与在遭受这种污染的人群中观察到的病理联系起来。事实上,只有对大量研究对象进行长期监测,才有可能将健康数据(病理、住院、死亡等)与各种污染物的测量结果进行比较。

2.1病理学

环境百科全是-空气-细颗粒对健康的影响
图4. 细颗粒对健康的影响。
[图片来源:©马里昂·皮顿和西尔维·吉多蒂]

  这些不同的方法一致认为,气体成分或颗粒的高度氧化性和刺激性会导致肺部疾病(哮喘、呼吸系统疾病)、心血管疾病(心律失常、心肌缺血)、神经系统和某些癌症。

  气态污染物对呼吸道的渗透取决于它们的溶解度。臭氧(O3)或二氧化氮(NO2)等污染物是高度氧化性的,因此对人体有高度刺激性。对于颗粒,它们在呼吸道中的沉积取决于它们的大小。颗粒越小,进入肺部越深,进入支气管,甚至细支气管,引起哮喘、细支气管炎、肺部疾病和心血管疾病的恶化(见图5)。

  这些不同研究强调了慢性污染在导致疾病中的重要性,低于这个阈值的接触污染物不会对健康造成危害。因为灵敏度阈值从个体到另一个个体之间会有差异,所以不仅应该关注严重的污染事件,还应该广泛采取措施减少本底污染。

2.2几个数字

  世界卫生组织(WHO)在其报告中区分了环境空气污染和室内空气污染的影响,同时认识到这两种污染的综合影响和准确确定这两种影响的困难[5]。在下文,只会报告环境空气污染的影响。

  使用新的模型来评估细颗粒物(PM2.5)的暴露情况,再加上风险评估方法,估计全世界每年有300多万人因室外空气污染而死亡,证实这些死亡大多发生在低收入国家[6]

  2011年,一项为期三年的欧洲研究——APHEKOM[7],使用传统的健康影响评估方法,预测了参与该项目的25个主要欧洲城市的大气污染对居民健康的影响。预测结果表明,如果细颗粒物(PM2.5)的平均水平按照世界卫生组织的建议降低到10微克/立方米,那么在30岁时,平均预期寿命命增加几个月。据估计,欧洲每年与大气污染有关的保健费用和相关费用(旷工、质量损失和预期寿命)达305亿欧元

  研究结果还可以将某些慢性病的发生与居住在主要道路附近人的住所联系起来。因此,15-20%的儿童哮喘发作和65岁以上成年人慢性阻塞性肺病的恶化可能与污染有关。

  最后,法国圣特出版社[8]最近出版的一份报告提出了2007年和2008年就长期接触细颗粒物(PM2.5)与死亡率之间的联系进行的最新定量健康影响评估(QISA)。这项研究的表明,法国每年有超过48000人死于人为颗粒物造成的污染。按地区划分的结果以地图的形式提供。此类研究也用于量化污染对臭氧的影响。还回顾了这些评估的不确定性,上游的不确定性在人口排放和暴露的量化、观察到的病理原因(与生活方式、饮食、吸烟、工作场所接触等有关的混杂因素……)以及使用的方法选择。尽管存在局限性,但这些结果的优势在于提高了人们对健康问题紧迫性和为减少空气污染而采取的措施的重要性的

3.国家和欧盟层面的公共信息:Prev’air系统和哥白尼大气系统

  正如玛丽安·莫利纳-杜博斯特的文章中提到的那样(参见法律如何保护空气质量?)1996年颁布的《空气法》深刻地改变了国家机构对与我们呼吸的空气有关问题的看法。这是建立空气质量监测机构网络(AASQA)的起点。在2000年代,该系统随着面向建模的Prev’air系统的创建而完成。

3.1 Prev’air系统

  这个预测主要受管制污染物浓度的平台每天由法国国家环境和科学研究所(INERIS)管理。该系统由INERIS、法国气象局、法国国家科学研究中心和空气质量监测中心实验室于2004年联合开发。今天,这个联盟继续开发这个在欧洲独一无二的系统。

环境百科全是-空气-Prev'air平台的操作
图5. Prev’air平台的操作。
[图片来源:© Prev’air]

  Prev’air[9]旨在提供法国和欧洲未来三天主要受管制污染物浓度的定期可靠信息,并使尽可能多的人能够获得这些结果。为了进行这些预报,使用了两个被称为“化学输运”的数值模型:由INERIS和皮埃尔-西蒙·拉普拉斯共同开发的CHIMERE模型,以及由法国气象局开发的MOCAGE模型。

  这些提供污染物浓度预测的操作模型需要以下信息:

  排放清单,现在是静态的(不依赖于天气状况),详细说明一段时间内排放量的时空分布。排放包括人类活动(人为排放)产生的排放,也包括自然来源(植被、土壤等)产生的排放。这些排放文件会定期更新,更新主要考虑土地利用的变化,作为研究主题,以使排放清单具有动态性并综合考虑不同情况(天气条件、一年中的时间、公共假期等)。特别是,我们可以提到的清单是作为MACC和MACCII研究项目的一部分,这些项目是哥白尼项目的前身。

  天气条件,因为如第一部分所示,天气条件为污染事件创造了有利条件,最重要的也是事件结束的主要因素。因此,天气预报会影响空气质量预测的精度。这一点在很大程度上解释了有时在不同信息来源之间观察到的污染物浓度(或扩展的空气质量)预测的差异。

  边界条件。它实际上是处于被考虑区域边缘的化学成分的状态。这些污染物可能会在建模区域中相互作用或移动(例如传输效应)。

环境百科全是-空气-TNOMACC-2009年二氧化硫排放清单
图6. TNOMACC-2009年二氧化硫排放清单。
[图片来源:© 哥白尼大气系统]

  然后,核准的空气质量机构可以重新利用Prav’air系统产生的数据,以便作出更精确的预报,并可根据其边界情况进行调整,或以制图形式显示,从而实现根据所考虑的时间和空间尺度监测一个污染事件的演变。

  该系统是欧洲的先驱,定期重新评估[10],并不断发展以考虑更多的化学现象,提高现场分辨率,并纠正预测中观察到的偏差。化学和空气质量建模领域的研究工作非常广泛,有助于丰富对用户的这项服务。因此,Primequal呼吁在2005年启动的项目旨在研究空气质量与农业之间的联系。还应注意的是,自2004年推出空气质量模型以来,模型在考虑化学反应方面得到了丰富,特别是通过对二次气溶胶进行建模。

3.2哥白尼欧洲大气服务

  欧洲层面采用了另一种方法。监测大气成分和气候研究项目(MACC)使得从2009年开始开发一个空前的空气质量监测和预测系统成为可能,其中包括由不同欧洲团队开发和实施的一组大约十个模型。他们汇集了35个欧洲合作伙伴、国家气象部门和其他研究组织,包括法国气象局和INERIS[11]。自2015年以来,部分工作促成了运营服务的建立:哥白尼大气服务[12]

  自2015年以来,在欧洲环境www.regional.atmosphere.copernicus.eu的网站上,可以获得10种污染物浓度的4天预报(包括授粉季节的花粉物种),以及前一天的分析(使用欧洲环境署收集的现场观测进行修正的预报)或年度重新分析,使评估和监测趋势以及公共政策的影响成为可能。这些数据通过符合标准化数据交换协议(包括WMS/WCS服务)提供可视化和下载服务。这些下载服务完全免费访问和下载,供下游专家系统使用,通过提供更精确的分辨率空气质量信息将这些数据与其他数据源相互参照、统计处理以增强输出。

  根据MACC开创性项目的结论,保留了多模型方法的基础,现在正在通过结合欧洲七个最佳模型的输出以及所有能够提供预期服务水平的模型来开发CAMS区域预测。这些模型是由国家气象服务机构或组织(来自芬兰、法国、挪威、瑞典、荷兰和英国)和大学实验室(如奥尔胡斯大学/丹麦、科隆大学/德国的莱尼什环境研究所、华沙工业大学/波兰)制作。这个系统制作的最重要预报产品称为集成预报,它是个别预报结果的中位数,因此得益于每个模型的优点,并可以提供0.1°分辨率的欧洲空气质量预报。

环境百科全是-空气-2017年9月18日的日均细颗粒浓度
图7. 2017年9月18日的日均细颗粒浓度,单位为毫克。
[图片来源:© 马里昂·皮顿和西尔维·吉多蒂,哥白尼大气系统]

  请注意,对于该产品而言,每个单独的模型使用相同的输入数据,ECMWF天气预报、排放数据和其他哥白尼大气服务产生的边界条件。这增强了系统的稳健性,并允许分析和考虑模型的内在不确定性。

  该系统作为全球系统的补充[13],目前正处于扩展阶段,并继续提供新的服务(新的花粉品种、新的再分析),以及在欧盟层面控制和监测的发展,还包括提供大规模数据下载平台并辅之以服务的雄心勃勃的计划。这可以通过更新排放清单或者提出创新服务来实现,比如基于卫星数据同化的火灾监测系统。后一种系统旨在考虑区域空气质量;因此,欧洲以外的火灾对欧洲空气质量的影响可以纳入预测。

  通过将不同地理尺度的建模系统相互交织,这项欧洲服务也可以成为国家层面空气质量监测的主要支持,就像现在的Prev’air系统和哥白尼大气系统一样。最后,使用”哨兵”卫星数据还应能够实施新产品,并对现有产品进行重大改进。

 


参考资料和说明

封面照片:新德里的空气污染(烟雾)。图片来源:网络相册-许可:CC BY-NC]

[1] 世卫组织2016年11月报告“2012 年家庭和环境空气污染联合影响造成的疾病负担”[http://www.who.int/airpollution/data/AP_jointeffect_BoD_results_Nov2016.pdf]

[2] Malardel S. (2009). Fundamentals of Meteorology, Cepadues-Editions

[3] Fuentes et al (2000). Biogenic Hydrocarbons in the Atmospheric Boundary Layer: A Review Bulletin of the American Meteorological Society 81:7, 1537-1575

[4] Auger F. (2006). 大气细颗粒物 (PM <2.5 μm)参与心血管疾病的诱发。呼吸道上皮细胞与血管内皮细胞之间关系的体外研究。巴黎大学论文

[5] 世卫组织(2016年11月)。2012年家庭和环境空气污染共同影响的疾病负担。[http://www.who.int/phe/health_topics/outdoorair/databases/AP_jointeffect_BoD_results_Nov2016.pdf?ua=1]

[6] 世卫组织(新闻稿,2016年9月27日)。世卫组织公布了国家对空气污染暴露和健康影响的估计。[http://www.who.int/mediacentre/news/releases/2016/air-pollution-estimates/fr/]

[7] Aphekom项目。改善欧洲空气污染和健康决策的知识与交流。[http://aphekom.org/web/aphekom.org/home]

[8] href=”http://opac.invs.sante.fr/doc_num.php?explnum_id=10431″>法国公共卫生。法国大陆长期接触细颗粒物对死亡率的影响和若干空气污染减少情景带来的健康收益分析。

[9] href=”http://www2.prevair.org/” target=”_blank” rel=”noopener”>Prevair

[10] Rouil L., Honore C., Vautard R., Beekmann M., Bessagnet B., Malherbe L., Meleux F., Dufour A., Elichegaray C., Flaud J-M., Menut L., Martin D, Peuch A., Peuch V-H., Poisson N., 2009, PREV’AIR : an operational forecasting and mapping system for air quality in Europe, BAMS, DOI: 10.1175/2008BAMS2390.1

[11] Marécal V., Peuch V.-H., Andersson C., Andersson S., Arteta J., Beekmann M., Benedictow A., Bergstrom R., Bessagnet B., Cansado A., Cheroux F., Colette A., Coman A., Curier R. L.,. Denier van der Gon H. A. A. C, Drouin A., Elbern H., Emili E.,. Engelen R. J.,. Eskes H. J., Foret G., Friese E., Gauss M., Giannaros C., Joly M., Jaumouillé E., Josse B., Kadygrov N., Kaiser J. W., Krajsek K., Kuenen J., Kumar U., Liora N.,. Lopez E., Malherbe L., Martinez I., Melas D., Meleux F., Menut L., Moinat P., Morales T., Parmentier J., Piacentini A., Plu M., Poupkou A., Queguiner S., Robertson L., Rouil L., Schaap M., Segers A., Sofiev M., Thomas M., Timmermans R., Valdebenito A., van Velthoven P., van Versendaal R., Vira J., and Ung A., A regional air quality forecasting system over Europe: the MACC-II daily ensemble production, Geosci. Model Dev. Discuss, 8, 2739-2806, 2015, doi:10.5194/gmdd-8-2739-2015

[12] href=”https://www.regional.atmosphere.copernicus.eu/”>哥白尼区域

[13] http://atmosphere.copernicus.eu/

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引用本文:作者:GUIDOTTI Sylvie – PITHON Marion (2019), Outdoor air pollution: keys to understand, inform and prevent, Encyclopédie de l’Environnement, [en ligne ISSN 2555-0950] url : http://www.encyclopedie-environnement.org/?p=6781

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译者:刘林林                   编审:谭吉华                责任编辑:胡玉娇

 


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引用这篇文章: GUIDOTTI Sylvie, PITHON Marion (2022), 室外空气污染:了解、告知和预防的关键, 环境百科全书,[在线ISSN 2555-0950]网址: https://www.encyclopedie-environnement.org/zh/air-zh/outdoor-air-pollution-understanding-to-inform-and-prevent/.

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