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觀測大氣三十年
為酸雨防控臭氧治理找對策
專訪香港理工大學王韜教授
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上世紀 90 年代，改革開放春潮澎湃，工業生產熱火朝天，但污染也隨之加劇。鶴咀是香港島東南端一個海角，是所有大氣從東南沿海進入香港第一站。香港理工學院（理大前身）獨具慧眼，早在 1994 年就在這裡設立香港第一個大氣化學監測站，這也成為了當時南中國唯一的大氣監測站，王韜教授是監測站重要成員。
空氣污染是全球面臨的嚴重環境問題，對人類健康和環境造成了巨大影響。2018 年世衛組織統計顯示，全球每年有七百萬人死於與空氣污染相關的疾病。早在上世紀 40 年代的美國舊金山霧霾，1952 年的大霧霾（Great Smog），以及上世紀 70 年代的酸雨，嚴重空氣污染問題一一暴露。近二十年，酸雨、懸浮粒子積聚（PM2.5），還有臭氧污染等問題仍然是全人類共同面對的重大環境挑戰。
大氣污染研究發展
那麼，空氣污染問題成因何在？污染源頭在哪？能有什麼對策來有效地解決呢？香港理工大學土木及環境工程學系（大氣環境）王韜教授，在三十多年的關注和研究問題的過程中尋求對策，對香港和國家的環境治理、全球環境研究、聯合國應對氣候變化對策都發揮了積極影響。
由鶴咀監測站到觀察環球大氣
上世紀 90 年代，內地改革開放春潮澎湃，經濟高速發展，工業生產熱火朝天，環境污染問題隨之加劇。鶴咀是香港島東南端一個海角，空曠清靜無遮擋，是所有大氣從東南沿海進入香港第一站。香港理工學院（理大前身）獨具慧眼，早在 1994 年就在這裡設立香港第一個大氣化學監測站，這也成為了當時南中國唯一的大氣監測站，王韜教授是監測站重要成員。
鶴咀理大本底大氣監測站
監測站持續地觀察、記錄，也關注着污染現象及其變化。王教授表示「大氣污染並不僅是一個城市的問題，更是一個區域的挑戰。」根據 1994 年至 2007 年的持續觀察記錄，團隊首次繪畫出中國華南沿海地區臭氧長期變化趨勢，發現該地區地面臭氧濃度每年以 2% 的速度在顯著增加，這與我國東部和東南亞地區污染物長距離輸送有着密切關係。這一研究成果受到國際學界的廣泛
聯合國環境規劃署（UNEP）和世界氣象組織（WMO）2011 年出版的綜合評估報告《Integrated Assessment of Black Carbon and Tropospheric Ozone》，在全球短壽命溫室氣體的變化趨勢部分引用了王韜教授的論文插圖說明
從 1995 年起，王韜教授團隊就從研究香港的大氣變化入手，其後目光逐步擴展，在珠江三角洲、長江三角洲和華北平原等開展大氣觀測，研究環境污染、全球氣候暖化和各地天氣變化等大氣問題。2013 年的聯合國氣候應對報告，有關臭氧的研究部分也引用了王韜教授團隊的研究數據。
王教授團隊的觀察和研究成果也對本港空氣質素管理政策發揮作用，獲納入特區政府環保部門的《香港清新空氣行動計劃 2013-2017》進度報告。團隊的建議在幫助香港減低臭氧濃度方面發揮了積極作用，也對周邊地區產生了影響。王教授還獲邀加入「空氣科學與健康專家小組」，就空氣科學和健康的評估方法向特區政府提供意見，包括排放量估算、空氣質素評估和預測、空氣質素改善措施的成本效益分析和人類健康影響評估，並就不同的空氣質素改善措施對空氣質素和人體健康所帶來的效益提出看法。
《香港清新空氣行動計劃 2013-2017》
王韜教授籌劃建立的鶴咀大氣監測站持續運作了二十多年，為香港空氣污染研究工作從無到有奠定了堅實基礎，亦啟發了特區政府環保署於 2019 年在理工的監測站附近設立鶴咀超級空氣監測站。
釐清治污誤區，推動臭氧防治
談起臭氧污染，王韜教授說，「在所有污染中臭氧是最難控制的大氣污染問題之一。」因它並不是從污染源中直接排出的，而是由空氣中的氮氧化物以及揮發性有機化合物經過光化學反應生成的。與其他污染問題不同，臭氧會與空氣中的其他污染物（例如一氧化氮）產生化學反應而被消耗，故此控制大氣中各種污染物含量與臭氧污染的防治息息相關。
除了香港本地的臭氧污染問題，王教授和團隊也是內地各個地區在臭氧研究方面的開拓者。王韜教授表示「這三十年來，我們一直專注臭氧的研究，我們課題組是中國最早的臭氧研究團隊之一。從香港開始擴展到內地，我們不僅關注發達的東部地區，還關注青藏高原及大西北等地區。」2016 年，國家科技部啟動了「大氣污染成因與控制技術研究」專項，將「臭氧和光化學煙霧形成機制、大氣氧化能力、大氣非均相化學過程」等列為重點研究方向。
王韜教授及團隊早期在內地各地進行的關於臭氧污染的實地大氣觀測
2022 年，新冠疫情肆虐，內地許多城市封閉管理，王韜教授和團隊在 27 個城市的研究發現，雖然氮氧化物和 PM2.5 顆粒物都有所下降，臭氧卻沒降反而上升。「封城期間，與汽車及工業排放的二氧化碳大幅下降不同，但上海 2022 年 4、5 月間的臭氧排放遠高於封城前。絕大部分指數上升甚至超標，僅上海就有三分之一的地區污染超標。」臭氧非線型生成的化學規律，在這裡得到了進一步的說明。
王教授關於臭氧的研究項目，分別在 2009 年和 2022 年獲得國家教育部高等學校優秀科學技術獎自然科學二等獎、國家環境生態部科學技術二等獎。對於在這個開拓而具影響力的研究領域獲得認可，王教授倍感鼓舞，他表示「香港的臭氧研究對內地的推動非常大，值得引以為傲。」
研究中國酸雨促進大氣法修訂
酸雨是由於二氧化硫和氮氧化物排放進入大氣導致酸沉降從而產生的、酸度小於 ph 5.6 的降水，其主要來源是人為化石燃料的燃燒排放。酸雨污染除了給生態環境及文物古跡造成危害，懸浮於大氣中的酸性微小顆粒物更嚴重危害人體健康，同時也是臭氧污染產生的主要原因之一。作為燃煤大國，90 年代我國的煤炭消耗量高達 12.8 億噸，導致燃煤產生的二氧化硫排放量不斷增長。直到 2000 年後，中國的酸雨面積及污染程度達到了頂峰，造成的直接和間接經濟損失高達 1100 億元人民幣，成為制約中國經濟和社會可持續發展的一個重要因素。
王教授引述研究數據指出，當時內地受酸雨影響的地區已佔國土面積的三成，是世界三大酸雨區中唯一面積還在繼續擴大的地區。再加上中國正處於經濟快速發展期，主要致酸物質的產生量將持續顯著增加，「如果不採取果斷有效的控制措施，國家環境酸化的趨勢將進一步加劇。」
2005 年，針對酸雨（二氧化硫）問題，國家科技部撥款 2500 萬人民幣，推出國家重點基礎研究發展計劃（即 973 計劃）－ 《中國酸雨沉降機制、輸送態勢及調控原理》項目。作為首個入選該計劃環境領域項目的香港學者，王韜教授獲聘為首席科學家及中國環境科學研究院研究員。項目為期五年，由國家環保總局牽頭，中國環境科學研究院承擔，匯聚理大、北大、清華、北師大、中國科學院和中國氣象科學研究院等科研力量，參與人員近 150 人。
五年間，研究團隊走遍大江南北，包括東三省的吉林、山東泰山、湖南衡山等地收集雲霧水，進行系統化研究，通過科學化的方法提出控制酸雨的中長期對策。
2007 至 2009 年王韜教授及團隊在吉林、泰山以及衡山收集雲霧水
回望酸雨項目的開展，王韜教授表示內地二氧化酼排放在 2006 年達到高峰，此後持續下降，如今已經減半；至於二氧化氮排放，在 2011 年達到高峰後，至今已減少三成；雨水酸度也已下降，酸雨產生的區域逐年縮小，沒有造成大面積的生態破壞。
最令他和團隊自豪的是，項目為國家大氣法修訂和酸雨控制作出了貢獻；團隊同時深度參與了國家重要研究，為國家培養了人才的同時也為後來二次污染研究積基樹本。
路漫漫其修遠
氮氧化物主要來自車輛、船舶和化石燃料的高溫燃燒而產生。在大氣中經過氧化反應產生硝酸鹽、氣溶膠等污染物，這些物質也是臭氧和懸浮微粒（PM2.5）的主要成分。然而大氣科學複雜的非線性性質，導致即使氮氧化物進行減排處理，依然無法控制污染物的上升。多年來，王韜教授帶領團隊通過實地觀測、實驗室實驗和電腦模擬等研究，對氮氧化物的轉化過程及其在光化學和灰霾污染中的作用，有了重大的發現。
2005 年，團隊觀測發現，北京「桑拿天」高濃度硝酸鹽快速生成，上海情況也一樣，在貧氨條件下硝酸鹽氣溶膠在夜間迅速生成，與經典理論不符，王教授和團隊提出了一個大膽的猜想：五氧化二氮在酸性大氣顆粒物表面的非均相反應十分活躍。團隊一開始缺乏實際數據支持，因此實測了中國典型區域（河北望都、山東泰山、江蘇南京、廣東鶴山及香港大帽山）真實大氣中的顆粒物表面反應，構建了高顆粒負荷下的參數化方案，從而改進了國際主流模式中的氮氧化物非均相化學機制。團隊又自主發展出反應性氮氧化物大氣化學模塊 ReNOM。
ReNOM 機制對全國臭氧監測濃度的模擬效果顯著提高
2015 年，國家自然科學基金委員會啟動了「中國大氣複合污染的成因和應對機制」聯合研究計劃，將「大氣活性氮、大氣活性鹵素化合物及其在大氣氧化性、二次顆粒物生成中的作用」，列為重點項目支持方向。王韜教授主持了「大氣活性氮氧化物的化學轉化機制及其對臭氧和灰霾污染的影響」研究項目。團隊展開的研究發現，北方農村冬天燒煤燒坑產生的活性溴和活性氯等鹵素，對灰霾起了增強作用，這項科學新認知登上了《National Science Review》學術期刊，受到廣泛關注。
他帶領團隊在華北平原的河北望都開展了內地首個關於活性鹵素化合物（Cl2、Br2、HOCl、HOBr 和 BrCl）的綜合野外觀測實驗，發現該地區存在大量非預期的活性鹵素化合物，尤其是以高活性的 BrCl 為主（BrCl 最高濃度為 482 ppt）。這是除北極研究外，全球範圍內第一個報道持續性高 BrCl 濃度的地面觀測，而此濃度比北極地區地面觀測最高值大 10 倍。通過進一步對觀測數據的分析與計算，揭示並驗證了此地區冬季燃煤活動排放了大量含溴顆粒物與活性溴物質 Brx（=BrCl+HOBr+2xBr2）。這一研究為控制中國北方地區農村燃煤提供了新的科學依據。
王韜教授團隊針對華北地區燃煤產生大量活性鹵素研究獲《National Science Review》刊載
展望未來的空氣質素，王韜教授的思考是，隨着持續的應對氣候行動，絕大部分石化燃料污染物將顯著減少。然而，不恰當的臭氧前驅物減排比例加上氣候暖化，可能導致臭氧不降反升的情況發生。針對這一挑戰，王教授建議短期內應該對 VOCs 和 NOx 進行協同控制，從而有效降低臭氧濃度。在減排策略中，需要更加重視精細化管理，以適應不斷變化的環境條件。而長期則應該借力於國家的雙碳政策，對臭氧前體物作出深度減排，以從根本解決臭氧污染的問題。
此外，技術的創新和應用也是降低污染物排放的關鍵。例如，發展更清潔和高效的能源技術，推廣新能源汽車，以及提高工業生產過程的排放控制水準等。
同時，隨着人為源的減排，非石化燃料污染可能成為更突出的問題，如工業製程的非燃燒製程排放、生物質燃燒、農業施肥等。因此，需要進一步加強對非石化燃料污染的監測和治理，以進行相關研究和技術創新，以確保空氣品質的持續改善。此外，加強與其他相關領域的合作和協調也是保障未來空氣品質的重要舉措，共同努力實現清潔、綠色、健康的環境目標。
王韜教授（第一行左六）和研究團隊成員
注：內文圖片均為受訪者提供
觀測大氣三十年
為酸雨防控臭氧治理找對策
專訪香港理工大學王韜教授
