细颗粒物和臭氧协同监测现状与建议

2022-04-27陈传忠胡天洋汪太明柴文轩

中国环境监测 2022年2期

瞿淼，陈传忠，吴坚，胡天洋，于勇，汪太明，柴文轩，刀谞，张鹏

1.湖南省长沙生态环境监测中心，湖南长沙 410001 2.中国环境监测总站，国家环境保护环境质量监测与控制重点实验室，北京 100012

近年来，随着污染防治攻坚战不断深入，我国环境空气质量得到明显改善，但保持和巩固改善成果还存在不少挑战。从2020年主要污染物浓度来看，虽然细颗粒物等指标的浓度逐年下降，但全国337个地级以上城市中仍有37.1%的城市细颗粒物尚未达标。同时以臭氧为首要污染物的超标天数占总超标天数的37.1%，仅次于细颗粒物(占比51.0%)。在这种形势下，做好细颗粒物和臭氧协同控制十分关键。党的十九届五中全会更是明确提出要“强化多污染物协同控制和区域协同治理，加强细颗粒物和臭氧协同控制”[1]。细颗粒物和臭氧的来源及形成机理十分复杂，在大气中可以相互影响，不仅增加了改善环境空气质量的难度，也对相应的监测支撑提出了更高要求[2-3]。本文梳理了我国细颗粒物和臭氧协同监测工作的最新进展，分析了协同监测还存在的不足，提出了进一步优化监测网络、加强技术方法研究、深化数据创新应用等方面的建议。

1 我国细颗粒物和臭氧协同监测现状

作为我国环境空气质量常规监测指标，细颗粒物和臭氧纳入了空气质量监测国家网，开展24 h实时监测。同时，为了满足精准治污需要，近年来在大气污染源解析、颗粒物组分与光化学监测方面均开展了大量探索，积累了重要经验[4-6]。特别是自2020年生态环境部组织开展夏季臭氧污染防治监督帮扶工作以来，各地加大了细颗粒和臭氧协同监测工作力度，在监测网络、质量管理和数据应用等方面取得了一些新的进展。

1.1 监测网络

1.1.1 环境空气质量监测网

国家环境空气质量监测网是开展细颗粒物和臭氧浓度监测的主要网络，由全国339个城市共计1 734个国控监测点位组成，每天24 h开展连续监测，另有279个加密县(市)点、92个区域环境空气质量监测站、16个国家背景空气质量监测站。全国2 584个区县级单位均建有空气自动站，覆盖全国91.0%的区县，京津冀及周边地区和汾渭平原空气自动站的区县级单位覆盖率达100%，长三角地区的覆盖率达98.7%。

1.1.2 颗粒物组分网

颗粒物组分网主要用于揭示颗粒物的化学组成及其时空变化规律。目前，颗粒物组分网同时存在手工和自动2种监测模式。其中手工监测点位99个，分布在全国88个城市；自动监测点位114个，分布在全国104个城市，实现了京津冀及周边地区、汾渭平原及周边地区、苏皖鲁豫交界地区和长三角地区等重点区域全覆盖。

1.1.3 光化学监测网

光化学监测网用于监测有光化学反应活性的挥发性有机物。目前全国光化学监测网络分为3个层次建设：339个城市中，19个重点城市开展118项有机物组分监测，130个重点城市开展71项有机物组分监测，其余190个城市开展非甲烷总烃1项监测。表1给出了我国目前细颗粒物和臭氧协同监测网络的基本情况。

表1 我国细颗粒物和臭氧协同监测网络的基本情况Table 1 Basic situation of the synergic monitoring network for fine particles and ozone in China

1.2 监测技术

1.2.1 颗粒物浓度监测

颗粒物手工监测以重量法为主。重量法是我国颗粒物监测的标准方法，也是其他方法开展比对时的参照方法。自动监测主要使用光散射法、β射线法、振荡天平法等。光散射法适宜做定性分析；β射线法通过适用性检测的仪器品牌及型号较多，市场竞争充分，仪器及耗材价格相对较低；微量振荡天平法准确度相对更高，但设备及耗材价格较高，对使用环境及运维技术水平要求高。目前国家网在用颗粒物仪器2 872台，涉及8个品牌、26个型号，主要为β射线法(占有率92.6%)和微量振荡天平法(占有率7.4%)。

1.2.2 颗粒物组分监测

组分监测目前主要开展了无机元素、水溶性离子、含碳组分等三大类监测[7]，其技术主要分为手工监测和自动监测。手工监测是在现场手工采样后，将颗粒物样品送到实验室，通过电感耦合等离子体质谱、离子色谱、气相色谱质谱、碳组分分析等技术方法对颗粒物化学成分进行分析。自动监测则是通过在空气自动监测站点安装在线离子色谱仪、在线碳组分分析仪、在线无机元素分析仪等设备，实现对颗粒物组分的连续自动采样分析，部分站点还配备PM2.5监测仪、气溶胶激光雷达等监测设备。目前，国家颗粒物组分监测网络中开展手工监测的占比为46.5%，开展自动监测的占比为53.5%。

1.2.3 臭氧监测

臭氧的监测技术可以分为近地面监测和遥感监测。目前，我国城市臭氧监测主要采取的是近地面监测方式。近地面监测方法主要是紫外光度法，即根据臭氧分子对紫外光的吸收特性，通过测定空气对紫外光的吸收强度来计算臭氧浓度。同时，随着卫星遥感技术的发展，越来越多搭载臭氧探测仪的环境遥感卫星发射升空[8]。如我国自主研发的FY-3卫星、高分五号卫星均搭载了臭氧探测仪，可以开展全球臭氧分布及变化规律研究。但是，臭氧遥感监测目前还主要处在研究阶段，离常规化业务应用还有一定距离。

1.2.4 挥发性有机物监测

挥发性有机物监测技术主要有色谱、光学、质谱、传感器等。在监测方式上，可以分为手工监测、自动监测和走航监测。现场采样加实验室分析的手工监测是目前最成熟的监测技术，可以完成大部分VOCs的定性定量分析，但是人工采样分析工作量大，监测频次也受到限制。自动监测则通过在空气自动监测站安装挥发性有机物在线监测仪器，实现连续实时监测，缺点是只能提供固定点位的浓度值。走航监测则通过在车辆等移动工具上搭载VOCs监测仪器，在指定区域或路线开展VOCs移动监测，可以实时显示区域或路线上挥发性有机物浓度空间分布。走航监测的优点是方便部署，快速高效，但是目前还缺乏统一的技术规范。

1.3 质量管理

1.3.1 细颗粒物和臭氧浓度监测质量控制

细颗粒物和臭氧浓度监测已经建立了较为完善的质量管理体系。在监测仪器设备技术准入方面，通过制定环境空气颗粒物、气态污染物自动监测系统技术要求及检测方法、安装和验收技术规范等，明确了监测仪器需要满足的技术参数要求；在量值溯源方面，建成臭氧、气体流量、PM2.5质量浓度等生态环境部最高计量标准装置，定期组织开展量值溯源工作；在监测网络运行维护方面，通过制定国控城市站运行和质控技术规范，明确运维管理工作流程，实现了全环节质量管控，并且通过网络检查、手工比对、联机比对、双随机飞行检查等多种手段开展了质量控制和检查。

1.3.2 颗粒物组分和光化学监测质量控制

与细颗粒物和臭氧浓度监测的质量控制相比，由于颗粒物组分和光化学监测起步较晚，质量控制还有待完善。颗粒物组分和光化学监测质量控制的主要依据是中国环境监测总站制定的《大气颗粒物组分手工监测和自动监测质量保证与质量控制技术规定(第一版)》《国家环境空气监测网环境空气挥发性有机物连续自动监测质量控制技术规定(试行)》等。同时，中国环境监测总站还先后制定了挥发性有机物手工采样及测试的参考方法标准、臭氧前体有机物手工监测技术要求等相关内容的文件，明确了开展相关工作的质量控制要求。但是，这些规范性文件还有待上升为相应的国家标准，以更好规范和统一颗粒物组分和光化学监测质量控制要求。

1.4 数据应用

1.4.1 浓度监测数据

细颗粒物和臭氧浓度监测数据主要有以下几个方面的应用：一是支撑考核排名。浓度监测结果作为城市空气质量考核排名的主要依据，突出了问题导向和目标导向，有效倒逼地方政府压实责任，为改善全国空气质量发挥了重要作用。二是服务精细管理。依靠浓度监测的大量客观数据，为大气污染成因分析、重污染过程诊断、污染防治及政策措施成效评估提供了科学支撑。三是参与质量预报。细颗粒物和臭氧的浓度监测数据作为重要边界条件，是构建数值模型及率定验证过程中必不可少的数据基础，同时也是实现未来7 d空气质量精细化预报的关键。

1.4.2 颗粒物组分监测数据

组分网监测数据主要有以下应用：一是确定污染来源。通过监测分析不同年份不同季节，特别是在颗粒物污染较重的采暖季颗粒物组分变化特征，反推污染来源，评估污染管控措施的成效。二是提供管控建议。通过颗粒物组分自动监测，实时提供区域的颗粒物组分特征，判断每次污染过程的成因及特点，对污染管控及削峰提出措施建议。三是保障重大活动。在重大活动保障中科学分析确定污染成因，为制定相关管控措施、改善重大活动期间空气质量提供科技支撑。

1.4.3 光化学监测数据

光化学监测数据结果主要有以下应用：一是服务臭氧污染理论研究。通过监测重点区域主要挥发性有机物的浓度水平及变化规律，找出影响臭氧生成的主要前体物质，为光化学反应机理研究提供基础数据。二是为臭氧污染防治提供技术支持。利用光化学监测数据，为科学确定臭氧污染防治重点区域、重点时段，明确重点管控行业和目标，制定更为精准有效的臭氧污染治理策略提供技术支撑。

2 存在问题

现有监测网络为空气环境质量改善作出了重要贡献，但对照细颗粒物和臭氧协同控制需求，仍存在短板，尤其是在颗粒物组分和光化学监测基础能力方面，同欧美等西方发达国家相比，仍有一定差距[9-12]。

2.1 技术手段有待进一步拓展

一是高空梯度监测业务化水平相对滞后。目前，我国细颗粒物和臭氧协同监测仍以近地面为主，无法说清细颗粒物和臭氧高空长距离跨区域传输污染的问题，不利于区域联防联控和本地精准管控。梯度监测现有研究成果丰硕，业务化时机成熟，亟待开展。二是天地一体监测融合分析技术亟待突破。一方面，地面定点监测技术成熟，质量控制较为容易，但当对一个城市或区域的环境质量做整体评价时，定点监测这种“以点代面”评价方式，常常引发点位选取代表性的争议。另一方面，天基遥感监测可以直接提供区域尺度的监测结果，但质量控制难度较大，结果不确定度较高。亟待研究一套融合算法，将地面定点监测和遥感监测获取的结果相互交叉验证和校核，充分发挥2种监测手段的相对优势，使得区域环境质量评价更加科学和客观。

2.2 业务基础有待进一步夯实

一是污染成因机理研究不足。颗粒物二次转化及臭氧生成机理研究是一项复杂的系统工程。国外通过长期研究，逐步形成适合自身的理论基础，我国起步相对较晚，尚处于模仿阶段，目前主要是根据国外研究成果开展相关指标的浓度值监测，亟待形成符合我国实际的基础理论，以更好支撑细颗粒物和臭氧协同控制。二是指标选取缺乏数据基础。以颗粒物组分网和光化学网的全国组网布局为例，在财政不断收紧预算的背景下，哪几种挥发性有机物指标应在我国率先实现业务化？如何在各地开展挥发性有机物的差异化监测？氨气和氯化物监测的密度与频次如何设计？回答这些问题，还需要大量的监测研究作为支撑。三是方法体系尚不健全。传统手工监测的方法体系比较成熟，但是一些新方法则还缺乏统一的技术规范，比如便携式细颗粒物监测、挥发性有机物走航监测等方法标准，以及不同种类的挥发性有机物的监测方法及质量控制标准等，均需要科学、系统地设计研究。

2.3 数据应用有待进一步深化

一是支撑协同控制还不够精准。目前，颗粒物组分网和臭氧光化学网主要监测的是环境空气中的相关组分浓度，在污染源排放监测方面则基础比较薄弱，缺乏VOCs、NOx等重要前体物的高精度排放清单，影响了污染排放与大气环境浓度间关联关系的建立，制约了针对特定前体物质的精准协同控制。二是协同控制成效考核基础还比较薄弱。以颗粒物组分及光化学监测为例，手工监测模式下采样及分析环节多，质量控制难度大，现有质量监督能力不足。自动监测由于还没有完善的技术规范体系，其运维管理与质量管控同样无法达到常规监测指标的质量控制水平，导致现有数据尚无法直接用于减排效果的考核评价。

3 建议

3.1 拓展网络功能

协同控制的关键在于控制氧化性大气环境下的化学反应，减少二次颗粒物及臭氧的生成。亟需加强大气污染成因机制研究，实现关键前体物质的源头控制。要在监测网络建设上做好顶层设计，拓展现有监测网络功能，划清科研与业务的边界。一是优化业务监测。根据地理及气象条件，重点围绕传输通道、产业集聚区，优化监测点位的数量、密度和位置。根据区域特征，抓主要因素，选择挥发性有机物、氨气、氯化物、氮氧化物中的一种或者几种，重点监测管控。增加非甲烷总烃监测，适度降低二氧化硫、一氧化碳等稳定达标指标的监测频次。二是强化科研监测。在细颗粒物和臭氧不达标地区，深入开展研究，通过颗粒物组分、挥发性有机物、总氮氧化物、光解速率及边界层高度监测，进一步掌握污染成因，提出挥发性有机物和氮氧化物协同减排比例，分析减排潜力。

3.2 完善技术体系

丰富监测技术手段，加强对污染物区域传输及高空传输的监测，掌握污染物的空间立体分布，实现精准管控和联防联控，建议从3个方面开展：一是创新监测手段。充分运用天基遥测、空基航测、塔基观测、地基探测等多手段，开展空天地一体化监测。将地面监测的高精度和空天监测的宽范围结合起来，形成优势互补，深化对细颗粒物和臭氧及其前体物浓度分布、转化机理的认识。二是健全监测方法和规范。统一监测分析方法，制定自动监测、手工监测、移动走航监测技术规范，明确质量控制要求，确保各地区各类型监测数据可比。三是加强质量管理。提高量值溯源传递和环境监测标准规范验证能力，利用区块链、物联网、大数据和人工智能技术，实现质量管理信息高效获取、自动传输、集中储存和智能判断，提升监测活动实时监控、全程留痕和异常信息发现锁定能力。

3.3 深化数据应用

一是服务精准治污。推动环境质量监测与污染源监控一体化发展，建立算法工具，提高环境质量监测、组分浓度、污染源排放、地方经济社会活动等数据的整合分析能力，找准城市中的重点污染因子、重点防控时段、重点排放地区、重点排放企业，实现细颗粒物和臭氧协同控制精准追因溯源。二是服务科学治污。推动细颗粒物和臭氧的机理成因研究成果转化，构建高精度数值模型并持续校核训练，结合模型正反向模拟结果，综合分析治污方案的治理效果、经济效益和可行性，支撑科学决策。三是服务依法治污。以高质量的监测结果，支撑各地因地制宜制定产业调整方案，优化工业布局，制修订地方污染排放标准，保障“一市一策”“一厂一策”落到实处。