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臺灣空氣品質研究與國際合作近程與展望

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周崇光

中央研究院空氣品質專題中心執行長

國立中央大學環境工程學研究所博士,長期觀測臺灣背景環境的大氣組成,研究大氣環境變遷趨勢,專注東亞大陸空氣污染物及臺灣地區背景空氣品質長期變遷,以及臭氧及氣膠的生成、轉化、傳輸等相關空氣污染防制策略。

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無論是在國際或是國內的社會中,空氣污染均是受到民眾關切的重要議題,空氣污染物對於人體健康的影響已經在許多的科學研究中獲得證實,因此,改善空氣品質進而保障民眾的健康是社會各界普遍性的共識。學理上,針對空氣污染的來源加以整治是改善空氣品質的基本策略,如此顯而易見的學理在執行上卻極為困難,由於空氣污染物的排放和民生活動與經濟發展間具有緊密的關聯度,空氣污染管制策略的擬訂,特別是管制對象的優先順序和管制強度的設定,與國家的產業、能源、交通、乃至於國土規劃都息息相關,污染管制策略的推行也必然需要付出一定的成本,因此,我們需要充分的科學知識與資料,方得以制定「精準」的管制策略,提升污染防制措施的效率與效益,最終將維護空氣品質與國民健康的目標融入整體的國家建設方案中。

當前的問題

臺灣在過去數十年的經濟發展歷程中,學者專家們也積極地投入空氣品質相關的研究工作。學術研究的成果不僅增進了我們對空氣污染物的瞭解,也同時是督促和支持政府推動空氣污染防制的重要力量。經過了數十年的努力,臺灣地區的空氣污染物濃度已經獲得顯著的控制,如果以民國100年為基礎,過去10年間各項主要空氣污染物的全國平均濃度分別降低了27-53 %,但是臭氧增加了6%(附圖1)。若是進一步分析各單項空氣污染物的時空分布,我們發現中、南部地區在每年10月到隔年4月間依然面對著偏高的污染物濃度,其中又以臭氧(O3)和細懸浮微粒(PM2.5)的污染最為明顯。PM2.5和O3的生成及傳輸機制牽涉非常複雜的大氣物理化學過程,相關領域的學者專家已經研究多年,至今依舊存在許多的疑問需要更深入的研究,重要的問題包括:兩者均和大氣光化學反應有密切的關係,但是參與光化學反應之前驅污染物由何處來? 如何傳輸? 傳輸過程中發生哪些關鍵化學反應導致空氣品質惡化?又是哪些物理化學現象造成都市能見度難以改善?這些關鍵問題亟需整合邊界層氣象學以及大氣物理化學的研究能量加以突破。

民國100-109年間全國主要空氣污染物平均濃度的變化趨勢,臭氧增加了6%,其餘各單項污染物的濃度皆呈現顯著的降低趨勢。
民國100-109年間全國主要空氣污染物平均濃度的變化趨勢,臭氧增加了6%,其餘各單項污染物的濃度皆呈現顯著的降低趨勢。

近程研究重點

有鑑於社會大眾對於改善空氣品質的強烈期盼,以及政府研擬具體污染防制策略的需求,國內相關領域的學者專家也非常積極地在推展空氣品質科學的研究工作。以中研院環變中心的研究團隊為例,團隊成員自民國92年起就開始在臺灣各地進行PM2.5化學特徵的調查,同時也積極發展數值模式進行空氣污染成因的分析。中研院在110年更進一步成立了「空氣品質專題中心」,並在臺中市設置「都市空氣污染研究站」(如下圖),希望能更深入地解析導致都市空氣品質惡化的物理化學過程。

都市空氣污染研究站照片
中研院空氣品質專題中心於110年11月設置於臺中市區之「都市空氣污染研究站」。此為我國第一座以都市大氣化學與空氣污染為研究目標的科學研究站,將致力以科學的力量協助改善空氣品質。

我們近程的研究重點包括

一、 凝結型細懸浮微粒(Condensable PM2.5)的特徵分析

在現今的國家污染排放清單中,固定污染源的懸浮微粒排放量是由相當粗略的排放係數推估而得,儘管這是在既有技術限制下不得已的作法,但是已經有越來越多的科學資料顯示:高溫煙道中許多粒狀物會揮發成氣態物質,並在排入大氣後冷卻凝結而形成新的微粒,此類 「凝結型細懸浮微粒」 不僅排放量具有高度的不確定性,其中所含有的化學組成也極少有相關的調查報告,是當前空氣污染防制的重要盲點之一。

二、 臭氧與二次氣膠的交互作用

臭氧是大氣光化學的產物,PM2.5中的二次氣膠(主要為硫酸鹽、硝酸鹽、高氧化態有機物)除了和大氣光化學反應直接相關,也和臭氧的化學反應有複雜的交互作用,近年的科學研究顯示臭氧和PM2.5的污染具有高度的關聯性,並且是影響當前都市空氣品質的核心問題,唯有充分掌握O3和PM2.5的前驅物及其氧化過程,才能對這兩項關鍵污染物研擬出最具效益的綜合防制策略。

三、 都市邊界層環流的發展與變遷

邊界層內的大氣流動是決定空氣污染物傳輸或累積的關鍵因素。臺灣西部在特殊的地理環境下發展出高密度的工業區和都會區,除了天然的海陸風和山谷風,高密度城市產生的熱島效應使得邊界層內的局部環流更為複雜。中研院的研究團隊正積極發展觀測和數值模擬技術,期盼能增進對邊界層環流的瞭解,進而改進對空氣污染的預報和診斷能力。

國際合作

臺灣位在東亞季風區,除了本地產生的空氣污染之外,區域尺度的境外空氣污染也是影響臺灣地區空氣品質的關鍵因素之一。在跨境空氣污染的研究上,國際合作是極為重要的一環,我國的學者專家長期以來和歐、美、以及主要亞洲國家均保持著密切的合作,藉由許多重要的國際組織或研究計畫共同探索區域尺度的大氣物理化學及空氣污染問題。中研院環變中心近年最具代表性的合作計畫為EMeRGe-Asia(附圖3),這是由德國布萊梅大學(University Bremen)領導的國際研究計畫,中研院為其亞洲分支計畫的主要合作團隊,我們在2018年的3-4月間以德國的研究飛機HALO為觀測平台,在東亞大陸的外圍進行了近年此區域最完整的大氣化學觀測實驗,同時也提供了臺灣上游地區的大氣觀測資料。此外,為了強化對區域空氣污染的模擬,我們也積極參與亞洲區的大氣模式研究計畫(MICS-Asia),建立臺灣在區域大氣化學領域的夥伴關係。

EMeRGe-Asia 臺德合作計畫啟動研討會與會專家合影
EMeRGe-Asia 臺德合作計畫啟動研討會與會專家合影。左起3-6位依序為吳俊傑司長、王寶貫院士、李遠哲院士、及德方計畫主持人Prof. John Burrows。右起1-2位分別為羅正方董事長及蔡鴻德副署長。

展望

當前空氣污染的問題牽涉到非常複雜的物理化學過程,難以由直觀的因果關係制定出改善策略,以此為目標導向的基礎科學研究是突破問題之必要也是唯一的途徑。我國環保署及科技部長期支持國內學界進行相關的科學研究,中研院也將空氣品質相關的議題列為研究重點,在客觀環境的支持下,臺灣在大氣化學與空氣污染領域的整體科學能量可望持續成長,我們樂觀期許未來會有更多的科研成果作為污染防制政策的基礎,進而提升我國的環境治理績效。