东北亚地区对前体物质特定排放控制措施的距离依赖性及非线性PM2.5暴露响应

《Environmental Impact Assessment Review》：Distance-dependent and nonlinear PM2.5 exposure responses to precursor-specific emission controls across Northeast Asia

　　

Yoon-Hee Kang | Eunhye Kim | Seongeun Jeong | Soontae Kim

环境研究所，阿周大学，水原 16499，韩国

摘要

尽管采取了广泛的排放控制措施，东北亚地区的PM_2.5浓度仍远高于国家标准和世界卫生组织的指导方针，这给公共卫生带来了持续的挑战。本研究旨在确定能够有效降低东北亚地区PM_2.5浓度和人口暴露量的前体物质及其来源区域。通过使用综合化学传输模型和25种特定前体物质的减排方案，我们系统评估了排放控制对PM_2.5浓度及人口加权浓度（PWCs）在多个空间尺度上的影响。在中国全国范围内将污染物排放量减少50%的情况下，PM_2.5浓度分别下降了15.9、7.7和2.8 μg/m³；同时，PWCs分别下降了22.7、8.2和2.5 μg/m³。在各种前体物质中，NO_X和NH₃通过二次气溶胶形成产生了最广泛的影响，而针对初级PM_2.5的减排措施虽然效果显著，但影响范围较为局限。在完全消除排放的情况下，NO_X成为主要的控制因素，使中国的PWCs下降了28.9 μg/m³，韩国下降了10.3 μg/m³——这一效果超过了单纯减少初级PM_2.5排放的效果。距离依赖性分析表明，NO_X和NH₃的影响范围可延伸至约1100–1400公里的下风区域，这一范围涵盖了首尔和上海等人口密集地区的超过十亿人。这些结果强调了区域协调减排策略的重要性，这些策略应优先考虑那些具有高暴露效率的前体物质，并明确考虑前体物质的非线性特性、距离依赖性传输以及多空间尺度上的人口暴露情况。将基于浓度和暴露的指标整合到NO_X–NH₃联合控制框架中，可以显著提高东北亚地区PM_2.5管理的公平性和有效性。

引言

颗粒物（PM）污染仍然是东北亚地区的主要问题，尤其是在中国和韩国，这些地区的PM浓度持续偏高，经常超过国家标准和世界卫生组织（WHO）的空气质量指导方针（Conibear等人，2022年；Egerstrom等人，2023年；Lanzi等人，2022年）。北京和首尔等人口密集的大城市的PM_2.5浓度升高导致了严重的健康问题，包括与PM_2.5相关的呼吸系统和心血管疾病，以及过早死亡（Shi等人，2022年；Liang等人，2018年；Son等人，2012年）。Cohen等人（2017年）估计，2015年中国有110万人因PM_2.5暴露而死亡——这一数字大约是美国报告数字的12倍，凸显了该地区所承受的健康负担之重。

作为回应，东北亚各国在过去十年中实施了积极的排放控制措施。自2013年以来，中国实施了多项清洁空气政策，包括《大气污染防治行动计划》、《蓝天三年行动计划》和《第十四个五年计划》，这些政策减少了主要空气污染物的排放并改善了空气质量（Wen等人，2024年；Liu等人，2022年；Bae等人，2021年；Hepburn等人，2021年；Zhang等人，2019年）。韩国于2019年推出的《季节性颗粒物管理计划》也有助于降低PM_2.5浓度（韩国环境部，2023年）；同时，COVID-19大流行期间的短期活动变化也进一步促进了减排效果（He等人，2020年；Kang等人，2020年）。然而，2023年的年均PM_2.5浓度仍然很高——中国为30 μg/m³，韩国为19 μg/m³（中国生态环境部，2024年；韩国环境部，2023年）——远高于WHO规定的5 μg/m³的标准。经济合作与发展组织强调，如果没有加强区域合作和对关键前体物质排放的更严格控制，到2050年实现WHO目标将非常困难（Lanzi等人，2022年）。

一个地区的减排措施可以通过涉及传输、化学转化和气象相互作用的复杂大气过程，对当地及邻近地区的空气质量产生影响。例如，韩国年均PM_2.5浓度的下降与国内减排以及来自中国上游地区的排放减少有关（Jo等人，2020年；Kim等人，2020年；Kim等人，2024年）。同样，中国的空气质量也可能受到来自印度和东南亚的远距离传输的影响（Xu等人，2023年；Yin等人，2021年）。认识到这种相互依赖性，欧洲根据《长距离跨界空气污染公约》（联合国欧洲经济委员会，1979年）建立了合作性的跨界措施；同时，美国实施了《好邻居条款》，要求各州防止严重的下风污染（美国环境保护署，2024年）。

在东北亚，已经启动了诸如“亚洲模型对比研究”（Itahashi等人，2020年）和“考虑国家差异的东亚细颗粒物研究计划”（Kim等人，2022年）等合作倡议来应对PM_2.5污染问题。尽管如此，大多数先前的研究主要从浓度变化的角度评估了减排措施的有效性，对于减排策略如何转化为减少人口暴露和改善区域间公平性方面的指导有限。

PM_2.5的形成受到多种前体物质之间复杂相互作用的影响，包括SO₂、NO_X、NH₃、VOCs和初级PM_2.5。这些前体物质的相对重要性取决于化学条件、排放水平和空间尺度，这使得确定有效的减排策略变得具有挑战性。在这些前体物质中，NO_X的作用尤为突出，因为它强烈影响二次PM_2.5的形成——尤其是通过硝酸盐的产生——同时也加剧了该地区的臭氧污染问题（Qi等人，2023年；Uno等人，2020年；Wang等人，2024年；Xie和Liao，2022年；Liu和Wang，2020年）。

然而，二次气溶胶（特别是硝酸盐和铵）的响应具有高度非线性，并在大气传输过程中发生变化，这使得识别能够在源地区之外带来最大暴露效益的前体物质特定减排措施变得复杂。先前的研究提供了关于前体物质特定PM_2.5响应及其非线性行为的重要见解（Cao等人，2023年；Clappier等人，2021年；Harrison等人，2022年）；然而，这些分析大多局限于源地区或大陆尺度评估，没有明确考虑这种非线性响应在远距离传输过程中的演变。因此，系统地评估前体物质特定减排对不同空间尺度上的PM_2.5浓度和人口暴露的影响至关重要——从局部到区域层面——并确定哪些策略能够带来最大的综合效益。

为此，我们使用化学传输模型量化了前体物质特定减排对东北亚地区PM_2.5浓度和人口加权浓度（PWC）的影响。我们设计了25种减排方案，以分离各个前体物质（NO_X、SO₂、NH₃、VOCs和初级PM_2.5）以及排放源区域（中国、京津冀、山东和重庆）的作用。通过比较不同减排水平下的PM_2.5和PWC响应，我们确定了最能有效减少国内及跨国界人口暴露的前体物质和区域。总体而言，这项综合分析将前体物质特定的化学敏感性、距离依赖性传输和暴露指标联系起来，为东北亚地区的协调、以暴露为导向的PM_2.5减排提供了政策相关的证据。

章节摘录

方法

我们使用四步分析框架评估了中国减排对东北亚地区PM_2.5污染的影响。首先，使用化学传输模型进行了基准模拟和减排模拟，以代表全排放和减排条件（第2.2节）。其次，量化了每次减排（ERS）对PM_2.5浓度的影响，即两次模拟之间的浓度差异（第2.3节）。第三，将这些浓度影响映射到相应的变化中

PM_2.5前体物质减排的多边影响

2020年12月至2021年3月期间，中国、韩国和日本的模拟平均PM_2.5浓度分别为35.1、24.1和9.7 μg/m³。PWCs始终高于环境PM_2.5浓度——中国高出13.4 μg/m³，韩国高出2.7 μg/m³，日本高出0.6 μg/m³（图4a）——反映了人口密集地区的较高暴露水平。

中国PWCs与PM_2.5浓度之间的差异更为明显，这可以归因于

结论

本研究使用25种系统设计的减排方案，量化了前体物质特定减排对东北亚地区PM_2.5浓度和人口暴露的影响。分析得出了三个关键发现。首先，控制效果因前体物质和减排幅度而异：在减排幅度低于50%的情况下，初级PM_2.5控制措施带来了最大的局部效益（全国范围内降低了6.3 μg/m³），而NO_X和NH₃的减排则产生了更广泛的区域效益

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国环境产业技术研究院（KEITI）通过区域定制臭氧管理计划的支持，该计划由韩国气候、能源和环境部（MCEE）资助（RS-2026-25505137），以及韩国国家环境研究院（NIER-2025-04-02-111）和国家空气排放清单与研究中心（NAIR）的支持。

术语表

PM_2.5

直径为2.5 μm的颗粒物

ERS

减排方案

PWCs

人口加权浓度

WHO

世界卫生组织

AQG

空气质量指南

BTH

京津冀

CMAQ

CQ

重庆

SD

山东

VOCs

挥发性有机化合物