专家观点|张霖：氨排放对城市及区域空气质量的影响
- 2023/1/19 9:40:57
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- 来源：清洁空气政策伙伴关系 张霖
- 关键词:大气污染防治氨气排放
氨是PM2.5的重要前体物之一，在污染形成过程中起到关键性作用。为研究氨减排对空气质量改善的贡献、探讨在区域及城市尺度内如何通过氮素管理实现对PM2.5污染的控制，研究团队开展了氨排放对城市及区域空气质量影响的模拟研究。
一、 氨排放对全球空气质量的影响
大气中活性氮主要包括氨气(NH3)和氮氧化物(NOx)两类，其中NOx主要来自化石燃料燃烧，NH3主要来自于农业和养殖业，两者均为PM2.5的重要前体物。1990-2013年，活性氮排放对全球PM2.5污染贡献率从30%升高至39%，所造成的生命损失从195万人/年上升至233万人/年，其中氨排放的贡献率从25%提高到32%。分地区来看，亚洲、南美等地活性氮对PM2.5污染的贡献率升高，在欧洲、北美等地有所降低。
目前针对两者的减排政策存在较大差异，针对NOx已有明确的减排政策，预计NOx排放量将大幅下降，而NH3的减排政策尚未明确实施，预计排放量仍将持续上升。但值得注意的是，成本效益分析结果显示(图1)，NH3减排的效益-成本比显著高于NOx减排。
1. 氨减排的收益高于氮氧化物减排
环境效益方面，NOx减排在抑制大气硝酸盐形成的同时，还将通过影响大气氧化性，影响硫酸盐的形成；NH3减排不仅带来铵盐的减排，同时还将抑制大气硝酸盐的形成。
健康效益方面，针对全球不同地区的模拟结果显示，在NH3减排情景下PM2.5空气质量改善的健康效益明显高于NOX减排情景。
2. 氨减排的实施成本低于氮氧化物减排
当前全球各地已经有明确的NOx减排政策，而尚未开展针对农业氨的有效减排工作，目前采取的许多减排措施较为简单、成本低廉。因此，氨减排的实施成本仅为氮氧化物减排成本的10%左右。
图1. 全球及各地区控制NH3和NOx排放的效益/成本比值
二、氨排放在区域及城市尺度对空气质量的影响
2005-2016年，全国氨气年排放总量存在不同幅度的变化。我国东部地区是氨排放高值区，2012年以来由于化肥使用量约束、化肥种类变化等因素影响，该地区氨排放量呈现下降趋势。
*不同统计清单的氨排放估算存在较大的不确定性。
1. 华北地区氨减排对空气质量的影响
针对我国东部氨排放的高值地区——华北地区，研究团队采用WRF-Chem区域空气质量模型，开展了2015年1月和7月华北地区近地层氨气和铵盐浓度模拟，研究氨气减排对PM2.5浓度的影响。
·与观测结果相比，模拟结果空间分布特征较好，但存在偏差
将地面NH3浓度模拟结果与观测结果(Pan et al., 2018)进行比对，发现现有模型可较好模拟其地面空间分布特征，模拟结果在华北地区地面观测结果的平均偏差在20%内。
·氨气浓度和铵盐浓度对氨减排的响应情况
氨气浓度和铵盐浓度对氨减排的响应速度不同。减排初期(减排量<40%)，氨气浓度率先下降，但随着氨减排不断深入(减排量>60%)，铵盐浓度加速下降。从区域来看，氨气浓度和铵盐浓度反应变化相互平衡，导致NHx浓度对氨减排的响应接近线性。
·PM2.5浓度对氨减排的响应情况
PM2.5浓度对氨减排呈现出非线性响应(与铵盐类似)。氨减排初期，PM2.5浓度整体下降幅度较小；当氨减排量超过40%时，PM2.5浓度加速下降(图2)。重污染状态下，PM2.5浓度对氨减排的响应程度更大。相比之下，在清洁天(1月PM2.5=4.8 μg/m³，7月PM2.5=2.4 μg/m³)，减少NH3排放量对降低PM2.5浓度效果甚微。同时，氨减排也会导致人口加权PM2.5浓度(PWC)不同程度地下降。
此外，SO2和NOx排放量也会影响NH3减排对控制PM2.5污染的效率。在SO2/NOx排放量高的阶段，开展NH3减排工作将更有效改善PM2.5污染，冬季联合控制NOx和NH3排放将比单独控制NOx更有效。
图2. 北京及周边PM2.5浓度对氨减排的非线性响应
2. 北京地区氨减排对空气质量的影响
据排放清单显示，2016年北京市氨排放总量为53.6Gg，仅占京津冀氨排放总量的6.8%。京津冀地区氨排放中农业源占80%；而北京市氨排放中农业源、交通源、工业源、散煤燃烧分别占43%、29.5%、18.8%和7.4%，非农业源占主导。
研究团队应用3km分辨率空气质量模型，模拟了2018年8月和12月北京及周边地区(城市站点、郊区站点和农村站点)的地表氨浓度，并与观测结果进行比较。
· 城市地区夏季地表氨气浓度模拟存在低估
与观测结果相比，夏季城市站点和郊区站点的模拟结果明显偏低。卫星观测资料和文献资料中观测结果均证实这一结论。在排除观测误差、气粒分配、气象等因素影响后，可以认定北京城市地区夏季地表氨气浓度被低估。
基于地面观测结果，研究团队通过调整排放方案(北京农业源与非农业源排放量均提升约5倍，香河排放量降低20%)，得到反演约束的8月份北京地区氨排放量，从而使模型模拟结果与观测结果吻合。这反映夏季城市氨排放源在现有清单估算中的低估。
·氨气与铵盐来源存在显著差异
研究团队通过模型敏感性试验，发现当改变模型中北京/天津/河北氨排放量时，氨气浓度响应非常明显，但铵盐浓度的响应较弱(表1)。氨气与铵盐大气地表停留时间不同，前者地表停留时间较短，具有局地性；后者存活时间更长，可以参与远距离输送。因此，氨气与铵盐的来源存在显著差异，在源解析工作中，需要结合氨气和铵盐两者来全面分析氨减排对PM2.5形成的影响。
表1. 模型中改变北京/天津/河北氨排放时氨气/铵盐浓度的变化值
氨减排有利于推动空气质量持续改善，同时具有良好的健康效益。因此，在现有控制氮氧化物排放的基础上，加大对氨排放的控制，对缓解PM2.5污染具有重要意义。建议未来应持续开展相关科学研究，分析城市地区低估的氨排放来源及特征，提高排放源清单的准确性，探究模型参数不确定性对模拟结果的影响，以针对性采取减排措施，降低氨排放对我国空气质量的影响。
(张霖 北京大学物理学院大气与海洋科学系研究员)
原标题：专家观点|张霖：氨排放对城市及区域空气质量的影响
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