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他山之石:從國際政策看空氣污染防制願景

個人照

張艮輝

國立雲林科技大學特聘教授兼副校長

臺灣大學環境工程學研究所博士畢業,現為國立雲林科技大學環境與安全衛生工程系特聘教授兼副校長,曾任行政院環境保護署空氣品質模式支援中心召集人。專長為空氣品質數值模擬、空氣污染及其防制、植物揮發性有機物排放以及氣膠科技研究。

創用CC授權條款圖示

臺灣過去相當長的一段時間,曾分別針對臭氧小時值 (O3-1h) 及 PM2.5 污染問題,進行相當多的改善規劃,並實施許多有效的管制策略,也因而使臺灣的 O3-1h 污染問題得到妥善解決, PM2.5 污染問題也得到明顯的改善。因此臺灣實際上已具備 O3 及 PM2.5 污染防制的理論基礎和控制技術,包括空氣品質監測、前驅物排放清單、污染來源與成因、管制策略研擬、排放減量技術和成效評估技術等。在這些過去所建立的理論與實務的基礎上,應可研擬同時改善 PM2.5 及 O3-8h 污染的防制策略,使臺灣空氣品質進一步的提升。

由於氮氧化物 (NOX) 與揮發性有機物 (VOC) 是 O3 和 PM2.5 的共同前驅物,且 O3 與 VOC 和 NOX 間存在著高度非線性關係, O3 改善需要根據該區域的特性進行前驅物排放的削減,不適當的排放削減 O3 改善效益可能不彰,甚至可能造成 O3 污染的惡化。透過監測資料與先進空氣品質模式分析臺灣 O3 污染事件的成因,以找出 O3 污染形成之物理、化學機制或主要排放來源,可為臺灣 O3-8h 污染提供改善的方向。因此,為達成 O3-8h 和 PM2.5 濃度共同改善的目標,需要精準的研訂 VOC 和 NOX 排放的協同減量比例與幅度。僅以本文說明近地層 O3 和 PM2.5 之生成、 O3 與前驅物 (VOC 及 NOX) 之關係及臺灣 O3 污染之改善控制方向。

近地層 O3 和 PM2.5 之生成

近地層 O3 和 PM2.5 生成之間存在著複雜的關聯性。近地層排放的 NOX 和 VOC 在太陽光照射下產生的 OH 自由基,引發一連串的光化學反應而生成 O3 ,並同時氧化 NOX 、SO2、 VOC 、NH3,因而形成衍生性 PM2.5 。如果各種不同條件發生的 O3 和 PM2.5 污染現象是「菜餚」,那近地層排放的各類污染物就是「食材」,氣象條件則是「廚師」,而大氣氧化性是提供動力來源的「爐火」。在三項條件共同作用下,轉化生成空氣中各種不同濃度的 O3 和 PM2.5 及各種化學成分(硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽及二次有機氣膠等),並進而在降水的情形下產生酸雨,其過程示意圖如圖1所示。此外,由於受到各種氣象參數(包括風速、風向、日照、氣溫、混合層高及降水等),與 O3 及其前驅物生命期的影響,近地層 O3 來源大致包括本地生成、長程傳輸、及區域背景等三個面向。短期的 O3 濃度變化主要受到氣象條件的影響,而長期的 O3 濃度變化則主要受前驅物 (VOC 和 NOX) 排放及氣候的雙重影響。

圖1 空氣中臭氧(O3)及細懸浮微粒( PM2.5 )之前驅物及其形成過程示意圖
圖1 空氣中臭氧 (O3) 及細懸浮微粒 (PM2.5) 之前驅物及其形成過程示意圖

O3 污染與前驅物 VOC 及 NOX 之關係

一般而言,若某地控制 NOX 排放能導致 O3 濃度有效改善,即稱為 NOX 控制 (NOX-limited) 地區;反之,若控制 VOC 排放可以改善 O3 濃度,則稱為 VOC 控制 (VOC -limited) 地區。由於 NOX 與 VOC 生命期之不同,以及排放特性之差異(一般 NOX 排放集中於市區與工業區,而 VOC 排放除市區交通與工業源外,郊區逸散源與生物源也排放相當多的 VOC ),控制 O3 生成之前驅物種類與氣團年齡有關。接近排放源時 O3 生成多屬 VOC 控制,氣團移至下風處時則 O3 生成逐漸轉為 NOX 控制。近距離 O3 濃度減少的原因是由於 NO 的滴定反應 (NO + O3 → NO2) ,這種滴定反應會維持多遠與 NOX 煙流大小、煙流經過地區 VOC 排放強度、大氣穩定度、及光化反應劇烈程度等因素有關。新鮮煙流對於 O3 生成呈現 VOC 控制特徵,而遠距離下風處則轉為 NOX 控制特徵。從學理來看, VOC / NOX 的比值愈高則 O3 生成愈傾向於 NOX 控制。一般而言, NOX 生命週期短而 VOC 生命週期長,因此 VOC / NOX 比值會隨著氣團存在的時間愈久而變大,使得氣團從排放源傳輸至遠距離下風處的過程中, O3 生成逐漸轉變為 NOX 控制。

臺灣 O3 污染改善之控制方向

臺灣各季節 O3-8h 濃度模擬結果之空間分布變化如圖2所示。整體來說, O3-8h 高濃度(超過57 ppb)分布於中低海拔山區。四個季節比較結果顯示秋季及春季是 O3-8h 高濃度(>60 ppb)的季節,冬季其次,夏季濃度最低。各季節 O3-8h 濃度空間分布有明顯差異,春季 O3-8h 高濃度(>60 ppb)分布靠近中低海拔山脈地區,而秋季則是臺灣整個西半部的 O3-8h 都超過60 ppb,且秋季有可能於臺中以南山區附近出現極高 O3-8h 濃度(超過75 ppb)。

各季節每日最大八小時臭氧( O3-8h )平均濃度之空間分布(以1、4、7及10月分別代表冬、春、夏、秋四季)
圖2 各季節每日最大八小時臭氧( O3-8h )平均濃度之空間分布(以1、4、7及10月分別代表冬、春、夏、秋四季)

由於空氣中 VOC 和 NOX 的濃度及其比值同時影響 O3 和 PM2.5 濃度的變化,為了共同改善 O3 和 PM2.5 濃度,需要藉助此空氣品質模式系統及模擬方法,以精準的評估及研訂 VOC 和 NOX 排放的協同減量比例與幅度。因此本文以此模式系統進行為期四個月、25種不同 NOX 及 VOC 排放減量組合的模擬,依據模擬結果選擇環保署所有測站位置,統計分析各種減量組合對 O3-8h 濃度大於85 ppb (紅爆污染事件)以上的站日數,以繪製 VOC 和 NOX 減量對 O3-8h 紅爆污染事件比例等值圖(圖3),以呈現 VOC 和 NOX 減量對 O3-8h 的改善效益。由圖可知,對環保署測站 O3-8h 紅爆污染事件而言,僅 VOC 排放減量30% (NOX 沒有減量) 時,可減少約25%污染事件,有看到具有明顯的改善效益;但僅 NOX 排放減量30% (VOC 沒有減量)時,不僅沒有改善污染事件還可能使 O3-8h 略有惡化(紅色線);若初期 VOC 減量不如 NOX 時,則 O3-8h r污染事件改善不顯著(橘色線);因此整體而言,全臺灣 O3-8h 紅爆污染事件偏向 VOC 控制,亦即初期減量應以 VOC 控制為主, NOX : VOC 排放減量比例建議約為2:3;中期排放減量比例可視情況調整約為1:1;長期排放減量比例可再視情況調整約為2:1。

各種 NO<sub>X</sub> 及 VOC 排放減量組合下,環保署測站最大8小時 O<sub>3</sub> 紅爆 ( O<sub>3-8h</sub>  > 85 ppb)站日數之等比例圖(圖中曲線之單位為%)
圖3 各種 NOX 及 VOC 排放減量組合下,環保署測站最大8小時 O3 紅爆 ( O3-8h > 85 ppb)站日數之等比例圖(圖中曲線之單位為%)

結語

整體而言,由於東亞區域背景 O3 濃度高達30 ppb以上,臺灣 O3-8h 濃度受到東亞背景濃度與區域傳輸影響相當顯著,但隨著 O3-8h 濃度的增加,主要影響來源會逐漸轉為臺灣自身排放源。因此臺灣自身排放管制對於 O3-8h 高污染事件的改善更形重要。此外,受到地形、氣象條件、及排放條件的影響,不同的地理區位受到污染來源的影響也有所差異,沿海地區 O3-8h 影響來源以背景濃度與區域傳輸影響為主,都市地區則臺灣自身排放影響明顯增加,而內陸山區受臺灣自身排放的影響顯著增加,此區域特徵顯示臺灣前驅物 (VOC s和 NOX) 的排放減量更有利於都市及山區 O3-8h 污染的改善。此外,臺灣內部排放污染物的跨區域傳輸情形相當普遍,各空品區污染源對其他空品區 O3-8h 濃度的影響相當顯著,因此臺灣 O3-8h 與 PM2.5 污染事件不是單一地區或少數幾個污染源所造成的,而是一個兼具侷地性(local)及區域性(regional)之污染問題,要改善臺灣空氣污染以進一步提升空氣品質,需要各地區一起共同努力才能比較快速、有效的達成共同願景。