2018–2024年中国八个背景站三氟化氮（NF3）的长期大气观测及区域排放估算

《Environmental Pollution》：Long-term atmospheric observations of NF 3 at eight background stations during 2018–2024 and regional emission estimates in China

　　

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  大气中NF₃的摩尔分数从2018年的2.0 pptv翻了一番，达到2024年的4.0 pptv。
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  2018年至2023年间，全球四大主要工业区的NF₃排放量均有所增加。
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  确定了四个工业区，贡献了全球NF₃排放量的36%至44%。
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  NF₃排放的区域差异与工业结构密切相关。

引言

自20世纪90年代以来，全球非二氧化碳温室气体（GHGs）排放量持续增长，主要包括甲烷（CH₄）、一氧化二氮（N₂O）和含氟温室气体（F-GHGs）（Burkholder and Hodnebrog, 2022）。在这些气体中，含氟温室气体因其高辐射效率、长大气寿命以及远高于CH₄和N₂O的排放增长率而受到越来越多的关注。三氟化氮（NF₃）是最强效和寿命最长的含氟温室气体之一，其大气寿命为569年（Burkholder and Hodnebrog, 2022），100年全球变暖潜值（GWP₁₀₀）高达17,400（IPCC, 2021）。NF₃排放主要与其生产和工业应用相关。在20世纪60年代至90年代的早期阶段，NF₃的应用较为有限，例如作为火箭燃料的氧化剂和化学激光中的氟供体（Bronfin and Hazlett, 1966）。自20世纪90年代以来，电子制造的快速发展推动了NF₃在半导体、平板显示（FPD）和光伏制造中的广泛应用（Arnold et al., 2013; Arnold et al., 2018; Guo and Fang, 2023）。由于NF₃对全球气候的显著影响，通过2012年多哈修正案，NF₃被纳入《京都协议》涵盖的温室气体清单中。在中国，自2021年起，NF₃排放也被要求向政府报告（Huang, 2021）。

近几十年来，全球NF₃大气浓度呈显著上升趋势（Dunse et al., 2021）。20世纪70年代初期，全球对流层中NF₃的年均干空气摩尔分数接近于零（Weiss et al., 2008），而到2021年，先进的全球大气气体实验（AGAGE）网络的最新观测数据显示，全球平均NF₃摩尔分数达到2.59 ± 0.11 pptv，增长率为0.28 ± 0.15 pptv yr^?1（Liu et al., 2024）。据Liu等（2024）报道，全球NF₃排放量从2015年的1.93 ± 0.58 Gg yr^?1迅速增加到2021年的3.38 ± 0.61 Gg yr^?1，年均增长率约为10%。在此期间，东亚被认为是主要排放源区，占全球NF₃排放量的70%以上，占全球排放增长量的73%（Liu et al., 2024）。仅中国（含台湾）NF₃排放的增加就约占全球排放增长量的41%（Liu et al., 2024），促成了全球NF₃排放量的上升（Weng et al., 2024）。这些发现凸显了从全球视角全面理解中国NF₃浓度和排放的重要性。

迄今为止，关于中国大气中NF₃摩尔分数演化的研究报告较少，对其排放估算的研究也十分有限。目前的清单法估算包括来自全球大气研究的国际排放数据库（EDGAR）（Crippa et al., 2023）和美国环境保护署的数据（EPA, 2019a），以及Guo等（2023）开发的国家清单。然而，这些清单报告的排放估算之间存在较大差异，这可能是由于排放源类别和活动数据不同所致。自下而上的反演研究包括对东部中国（Arnold et al., 2018）以及南部和东北地区（Liu et al., 2024）NF₃排放的早期评估，使用了中国境外站点的观测数据。最近，Weng等（2024）利用中国境内九个站点的观测数据进行了反演估算，提供了2017年至2021年NF₃排放的时间序列。Yao等（2022）采用示踪物比率法，使用上甸子（SDZ）站2020年10月至2021年9月的观测数据，估算全国NF₃排放量为1.92至2.06 Gg yr^?1；而Yi等（2023）使用相同时期的观测数据，以HCFC-22为示踪物估算中国北方NF₃排放量为1.2 ± 0.3 Gg yr^?1，以CO为示踪物估算为0.7 ± 0.5 Gg yr^?1。总体而言，应用示踪物比率法的研究受限于短时间尺度和特定区域。基于全时尺度和长期观测的示踪物比率法更新研究，可以有助于相互验证现有的清单和反演结果，从而提高中国NF₃排放的量化精度。

本研究在中国八个背景站开展了2018年1月至2024年12月长期的NF₃大气观测。根据站点特征区分了背景条件和污染条件。使用以HCFC-22和CO为参考示踪物的示踪物比率法，估算了中国四大经济区——华北平原（NCP）、长三角（YRD）、珠三角（PRD）和华中华东（CC）在两个时期（2018?2020年和2021?2023年）的分段NF₃排放量。结合区域工业结构，分析了两个时期NF₃排放的空间分布和演变特征，并量化了各区域对中国总NF₃排放的贡献。

章节摘要

站点描述

本研究中纳入的八个大气背景采样站点的地理位置如图1所示。每个站点的详细信息，包括纬度、经度、气候特征、代表性区域以及距最近主要城市的距离，见补充表S1。所有站点均由中国气象局（CMA）运营和维护。在这些站点中，瓦里关（WLG）和香格里拉（XGL）均为高海拔站点，位于

八个中国站点的时间序列和背景趋势

图2展示了2018?2024年间在中国八个站点观测到的NF₃大气摩尔分数时间序列，以及在MHD测量的月平均背景值。所有站点的大气浓度在研究期间均呈现明显的上升趋势，与MHD的背景趋势一致。全国平均NF₃背景浓度从2018年的约2.0 pptv增加到2024年的约4.0 pptv。年度背景水平如

结论

本研究报道了中国八个背景站七年间（2018–2024）的大气NF₃观测数据。各站点的背景大气摩尔分数以及受经济发展区域影响的站点增强的摩尔分数在研究期间均持续增加。利用示踪物比率法，估算四大经济区的NF₃排放量分别占中国总NF₃排放量的75%和92%，占全球NF₃排放量的36%和44%

CRediT作者贡献声明

Yu Qingqing：撰写——初稿、可视化、方法论、形式化分析、数据整理。Wang Chen：撰写——初稿、验证、方法论、形式化分析、数据整理。Sun Wanqi：撰写——审阅与编辑、资源、资金获取、概念设计。Yang Bo：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源。Wu Dongqiao：验证、资源、数据整理。Yu Lingyuan：资源、数据整理。Luo Wenzhao：资源、数据整理。Yao Jie：

利益冲突声明

作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：Wanqi Sun报告获得中国国家自然科学基金的资金支持。Yang Bo报告获得中国国家自然科学基金的资金支持。Wanqi Sun报告获得中国国家重点研发计划的资金支持。如有其他作者，声明他们不存在

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（资助号41705134和22576203）和中国国家重点研发计划（2019YFC214503）的支持。

Yu Qingqing|Wang Chen|Sun Wanqi|Yang Bo|Wu Dongqiao|Yu Lingyuan|Luo Wenzhao|Yao Jie|Wu Yanling|Dong Fan|Li Jialin|Li Zhen