台湾中西部地区萘的季节性和空间变化：气象因素与排放源的相互作用

《Environmental Pollution》：Seasonal and spatial variations of naphthalene in central western Taiwan: The interaction of meteorology and emission sources

台湾中西部2020-2023年纳菲棱浓度时空分布及驱动因素研究。基于10个监测站数据，发现秋季（62.8 ng/m3）和冬季（60.6 ng/m3）浓度最高，与低温、弱光化学反应及大气稳定度下降相关。相关性分析显示与CO、NO?、PM??、PM?.?显著正相关（p<0.01），机器学习模型（SHAP值）表明NO?（20%）和风速（19%）为关键驱动因素。燃烧源贡献33%，气象因素占32%，揭示工业排放与气象条件共同主导污染格局

　　这项研究聚焦于台湾中部西岸地区从2020年至2023年间萘的季节性和空间分布特征，以及气象条件和排放源对这一污染物浓度的影响。萘是一种挥发性多环芳烃（PAH），由两个苯环融合而成，广泛存在于环境中，并对空气质量和人类健康构成潜在威胁。其来源多样，包括自然过程和人为活动，如生物质燃烧、工业排放、交通运输以及石油和煤炭的挥发。由于其较强的持久性和生物累积性，萘能够在大气中长时间存在，并可能通过远距离传输沉积在远离其源地的区域。

研究通过在台湾中部西岸的三个相邻县——彰化、云林和嘉义——的10个监测站收集数据，这些站点覆盖了该地区的不同地理位置。其中，云林县有8个站点，包括Mailiao（ML）、Lunbei（LB）、Taixi（TX）、Baozhong（BZ）、Dongshi（DS）、Sihu（SH）、Tuku（TK）和Xiluo（XL），另外两个站点分别位于彰化县的Dacheng（DC）和嘉义县的Donshi（CD）。通过长期的监测，研究人员能够评估不同季节和空间位置的萘浓度变化，并探讨气象因素在其中的作用。

研究发现，萘的浓度在秋季和冬季达到峰值，分别为62.8 ng/m3和60.6 ng/m3。这一现象与较低的气温、较弱的光化学反应以及大气层的停滞状态密切相关。在这些季节中，由于气温较低，大气中的化学反应速率减缓，污染物更容易在地表累积。此外，气象条件如风速和湿度的变化也对污染物的扩散和沉积产生重要影响。风速较低时，污染物更难被有效扩散，导致局部区域的浓度升高。而高湿度可能增加污染物的挥发性，从而影响其在大气中的分布。

通过使用皮尔逊相关分析，研究人员发现萘与其他空气污染物如一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO?）、PM??和PM?.?之间存在显著的正相关关系。这种相关性表明，这些污染物可能源自相似的排放源，如生物质燃烧、交通运输和工业活动。此外，方差分析（ANOVA）的结果显示，不同季节之间萘的浓度存在显著差异（p < 0.01），尤其是在东北季风条件下，内陆地区的浓度积累更为明显。这可能与区域内的局部环流模式有关，影响了污染物的输送和滞留。

为了进一步揭示影响萘浓度的关键因素，研究采用了一种基于机器学习的模型，并结合SHAP（Shapley Additive exPlanations）分析来评估各个特征对浓度变化的贡献度。结果显示，二氧化氮（NO?）对萘浓度的影响最大，占比约20%，而风速的影响也较为显著，占比约19%。这些发现表明，虽然燃烧相关的污染物对萘浓度变化的贡献率为33%，但气象因素同样扮演了重要角色，其贡献率为32%。风速作为主要的气象驱动因素，对污染物的扩散和沉积具有决定性作用。

研究还指出，萘的分布不仅受到排放源的影响，还与大气化学过程密切相关。例如，萘在大气中主要通过羟基自由基（OH）和硝酸根自由基（NO?）的氧化作用被清除，而在白天和夜晚的氧化过程存在差异。此外，臭氧（O?）和二氧化氮（NO?）在颗粒物表面的异质反应会导致氧-PAH和硝基-PAH的二次形成。这些化学过程可能影响萘的转化路径，进而改变其在大气中的寿命和扩散特性。

值得注意的是，虽然燃烧相关的污染物对萘浓度变化的贡献率较高，但研究也强调了气象因素在其中的主导作用。例如，温度、相对湿度和边界层高度的变化会影响大气的稳定性，从而改变污染物的输送和滞留。在冬季，较低的温度和较高的相对湿度可能增强污染物的累积效应，而夏季的西南季风则有助于污染物的扩散，使得浓度相对较低。这些因素的综合作用决定了萘在不同季节和不同地理位置的浓度分布。

在台湾中部西岸地区，由于存在多个重要的工业区，如台中火力发电厂、彰化工业区和美里工业区，该地区的空气质量问题备受关注。其中，美里工业区位于云林县，是台湾最大的石化工业区之一。其地理位置靠近海岸线，且处于下风向，导致该区域的空气质量相对较差。研究指出，这一地区可能存在较高的萘浓度，尤其是在工业活动频繁的季节和气象条件下。因此，深入研究该地区的污染物分布具有重要的现实意义。

研究还提到，尽管在台湾的某些区域已经对空气污染进行了广泛的研究，但对萘的系统性研究仍然有限。尤其是在工业活动密集的地区，如台湾中部西岸，由于人口密集，居民可能长期暴露于较高的萘浓度环境中。这种暴露可能带来一系列健康风险，包括呼吸系统疾病、皮肤刺激、溶血性贫血、发育异常以及癌症风险的增加。因此，了解萘的来源和分布特征对于制定有效的空气质量管理措施至关重要。

此外，研究还探讨了萘在大气中的转化过程。由于其半挥发性特征，萘能够发生气-粒相分配，这使得其既可以通过干沉降和湿沉降（如降水）去除，也可能在颗粒物表面发生化学反应，转化为其他类型的PAH。这种转化过程不仅影响了萘的去除效率，还可能对大气中的其他污染物产生影响。例如，某些二次有机气溶胶（SOA）的形成可能与萘的氧化反应有关，从而改变大气中颗粒物的组成和特性。

研究还强调了气象条件在空气污染调控中的重要性。随着气候变化的加剧，气象因素对污染物浓度的影响可能变得更加显著。例如，温度升高可能导致某些污染物的挥发性增强，从而增加其在大气中的浓度。而风速的变化则直接影响污染物的扩散能力，进而影响其在不同区域的分布。因此，在制定空气质量管理策略时，必须充分考虑这些气象因素，并结合排放源的时空变化，采取针对性的措施。

该研究通过结合监测数据和机器学习方法，提供了一种新的视角来分析污染物的分布和影响因素。这种方法不仅能够揭示不同因素对污染物浓度的贡献度，还能够帮助识别关键的驱动机制，从而为政策制定者提供科学依据。例如，研究结果表明，减少二氧化氮排放和改善风速条件可能对降低萘浓度具有重要意义。此外，针对工业排放和交通运输等主要污染源，采取有效的控制措施，如推广清洁能源、优化交通流量和加强工业排放监管，可能有助于改善该地区的空气质量。

总体而言，这项研究不仅揭示了台湾中部西岸地区萘的季节性和空间分布特征，还深入探讨了其与气象条件和排放源之间的复杂关系。研究结果对于理解该地区空气污染的形成机制和制定相应的治理策略具有重要的参考价值。同时，它也为全球范围内对类似污染物的研究提供了新的思路和方法，特别是在如何利用先进的数据分析技术来揭示污染物的来源和影响因素方面。未来的研究可以进一步探索不同污染物之间的相互作用，以及气候变化对空气污染的长期影响，从而为全球环境保护和公共卫生政策提供更加全面的支持。