后DECA时代船舶排放对区域空气质量的影响：以长江流域为例

《Environmental Pollution》：Impacts of Ship Emissions on Regional Air Quality in the Post-DECA Era: A Case Study of the Yangtze River Basin

　　摘要：随着中国国内排放控制区政策的逐步实施，船舶排放及其对空气质量的影响日益受到关注。然而，大多数研究集中在该政策实施的早期和中期阶段，对于政策实施后的排放特征及多污染物变化情况缺乏足够量化分析。本研究以全球最繁忙的内河航运通道——长江流域为研究对象，利用2023年的约2.3亿条自动识别系统轨迹数据，为18,478艘船舶构建了高分辨率排放清单，并结合WRF-Chem模型，量化船舶排放对区域空气质量的贡献。研究结果表明，在国内排放控制区政策实施后，长江流域的二氧化硫和PM2.5排放已得到有效控制，而氮氧化物排放量仍高达156.41千吨/年，占各类污染物总排放量的82%，在宜昌-荆州、武汉以及南京-上海等交通密集水域形成了明显的污染热点。浓度模拟显示，船舶排放对NO2的贡献持续存在，且在污染源附近影响更为显著，11个主要城市的全年平均贡献值为0.16–3.41微克/立方米。PM2.5的增量总体较低，但硝酸盐所占比例较高。臭氧的浓度则呈现明显的季节性变化，受光化学过程影响：1月和10月由于靠近污染源的氮氧化物作用而浓度下降，7月在强光化学条件下则有所上升。这些发现表明，除了继续控制燃料含硫量及减少颗粒物排放外，内河航运的污染管理还应着眼于从源头降低氮氧化物排放的协同策略。

引言：航运是全球贸易的重要支撑，其运输的货物体积占全球贸易总量的80%以上（联合国贸易和发展会议，2024年）。然而，航运带来的大气污染主要集中在近陆地地区及交通繁忙的航道上（Ekmek?io?lu等人，2024年；Roy和Chakraborty，2025年）。据相关估算，远洋船舶约占全球人为氮氧化物排放量的15%，硫酸盐排放量的5–8%（Corbett等人，2007年；Eyring等人，2010年）。由于大量船舶排放发生在距海岸线400公里范围内，这些污染物可向内陆扩散，严重危害当地空气质量（Feng等人，2019年）。在沿这些运输路线的人口密集地区，接触船舶排放物会导致严重的公共卫生问题，包括心血管疾病和肺癌引发的过早死亡（Corbett等人，2007年；Liu等人，2016年；Zhang等人，2021年）。为应对这些问题，国际和国家层面都加强了硫含量控制政策，这些措施在减少船舶排放的二氧化硫和颗粒物方面取得了显著效果。2020年实施的全球硫含量上限规定，要求在排放控制区外使用的船用燃料硫含量从3.5%降至0.5%，据估计这一措施每年可避免约30,200例与航运相关的过早死亡病例（Zhang等人，2021年）。中国的国内排放控制区政策也同样带来了显著减排效果。2016年至2019年间，中国内河及200海里范围内的船舶二氧化硫和颗粒物排放量分别下降了29.6%和26.4%。2019年“国内排放控制区2.0”政策实施后，二氧化硫排放量较2018年又下降了33.3%（Wang等人，2021年）。不过，有效的硫含量控制并不能等同于全面解决了与航运相关的空气污染问题。因为这些政策主要针对燃料中的硫元素及初级颗粒物，并未直接解决氮氧化物问题，以及由此产生的含氮氧化物、臭氧和硝酸盐的二次气溶胶问题。在中国，尽管硫含量得到了控制，但2016年至2019年间船舶氮氧化物排放量仍增长了13%（Wang等人，2021年）。全球范围的分析进一步表明，实施更严格的第三级氮氧化物标准，其带来的健康益处将远远超过仅将硫含量从0.5%降至0.1%的效果（Zhang等人，2021年）。最近的一项全国性评估显示，虽然中国各港口城市的船舶相关PM2.5浓度有所下降，但相关的长期死亡人数仍在上升。2020年的死亡人数达到了48,300人，比2016年高出11.4%，而且PM2.5的组成也发生了变化，硫酸盐相关的成分占比下降，其他二次无机成分的比例上升（Luo等人，2024年）。综合来看，国内排放控制区政策实施后的特点并非船舶污染的彻底消失，而是进入了低硫排放时代，此时氮氧化物的重要性相对上升。长江是中国最重要的内河航运通道之一。2023年，长江干线港口的货物吞吐量达到了38.8亿吨，充分体现了该地区极高的航运活跃度（交通运输部，2024年）。与远洋航运或沿海港口系统不同，长江上的航运活动始终与沿岸城市、港口群、工业区及人口密集区紧密相连。这种近距离分布使得船舶排放更容易与城市空气污染及人类暴露区域重叠。先前的研究已经表明，船舶排放物可通过水道和沿岸地区向内陆扩散，在航运密集的城市走廊形成污染热点（Fan等人，2016年；Huang等人，2022年；Lv等人，2018年）。例如，在南京附近的江苏段，一项自下而上的排放清单研究显示，2018–2019年间该地区的船舶氮氧化物排放量为83.5千吨/年，而二氧化硫、PM10和PM2.5的排放量则相对较低。当地的船舶相关氮氧化物至少占河流附近空气污染的40%（Zhang等人，2023年）。这些研究表明，评估长江航运对空气质量的影响时，不能仅考虑水域或港口内的排放情况，还需综合考虑其空间影响范围、贡献程度以及在周边城市大气中的差异性。要准确评估这些影响，首先需要基于真实船舶活动数据的高分辨率排放清单。随着自动识别系统的大量应用，船舶排放研究已从基于燃料消耗或港口统计数据的平均估算，转向基于具体船舶、轨迹信息且以网格为单位的排放清单分析（Sun等人，2025年；Yang等人，2007年、2022年）。自动识别系统能够自动传输船舶的身份、类型、位置、航向、速度及航行状态，从而更准确地还原船舶的运行模式、交通密度及污染热点分布（Gao等人，2024年）。此前在区域和国家层面的研究已证明，基于自动识别系统的排放清单能显著提升船舶排放的空间分布精度及污染热点的识别能力（Chen等人，2017年；Yi等人，2025年；Yu等人，2024年）。在香港和珠江三角洲的应用也证明了其在政策制定和港口管理中的价值（Ng等人，2013年）。因此，对于长江流域在国内排放控制区政策实施后的情况进行分析时，清单的分辨率直接影响能否准确反映实际排放水平、是否正确定位污染热点，以及能否区分内河船舶与沿海船舶的排放情况。为进一步了解船舶排放如何影响城市规模的空气质量，就需要借助空气质量模型来模拟污染物的传输、化学转化及沉降过程。以往的研究通常将船舶排放清单纳入化学传输模型或在线耦合的气象-化学模型中，以此评估船舶排放对NO2、O3、PM2.5及其化学成分浓度的影响。作为一款在线耦合的气象-化学模型，WRF-Chem能够同时模拟气象过程和化学过程，非常适合在复杂气象条件下评估区域空气质量状况（Xie等人，2025年；Zhang等人，2026年）。还有其他化学传输模型也被用于分析船舶排放对区域空气污染和健康影响的机制，包括社区多尺度空气质量模型、戈达德地球观测系统-化学模型以及欧洲监测与评估计划模型（Fu等人，2025年；Jonson等人，2020年；Karl等人，2019年；Liu等人，2019年）。伊比利亚半岛的相关研究也表明，基于欧洲监测与评估计划模型的分析结果显示，船舶排放显著增加了港口附近及主要航运路线上的NO2和二氧化硫浓度（Nunes等人，2020年）。这类评估方法已被广泛用于评价欧洲各排放控制区的成效。总的来说，空气质量模型能够将污染源排放、大气过程及受体浓度联系起来，有助于明确船舶污染的空间影响范围、季节性变化规律以及不同污染物类型的响应特性。尽管已取得一定进展，但关于国内排放控制区政策实施后的变化情况与长江流域的航运污染研究大多是分开进行的，现有研究也分别侧重不同方面。国家层面的研究追踪了国内排放控制区政策实施后船舶排放及其影响的变化趋势，为政策实施后的情况提供了参考。有些研究则基于每日数据构建了全中国的船舶排放清单，但未对相应的环境浓度进行模拟（Wang等人，2021年），还有些研究则聚焦于城市层面的分析，探讨船舶排放对PM2.5浓度及死亡率的影响（Luo等人，2024年）。但这些研究都无法揭示单一内河水道的实际反应情况。针对长江流域的研究直接分析了船舶排放对该地区空气质量的影响，但每项研究的時間覆盖范围、空间范围或研究的污染物种类都存在局限。以三角洲区域为研究对象的研究则同时分析了船舶排放、空气质量及健康影响，但这些研究的数据已经过时，后续情况仅作为未来预测场景出现，且研究范围并未覆盖整个长江流域（Feng等人，2019年；Zhang等人，2019年）。还有些研究仅聚焦于单个河段（Huang等人，2022年）或单一污染物（Zhang等人，2023年）。因此，目前尚缺乏针对整个长江干线、涵盖多种污染物的综合评估，而低硫排放环境下氮氧化物相对增强的现象也未能得到充分体现。本研究正是为填补这一空白，为评估内河船舶排放控制措施提供所需的流域尺度分析基础。这些控制措施早先在三角洲区域的研究中被认为是重点，但此前因数据限制无法进行深入分析。本研究利用2023年的全年自动识别系统数据，为长江流域构建了高分辨率船舶排放清单，涵盖了18,478艘船舶的约2.3亿条有效轨迹记录，并以1公里的分辨率对排放数据进行了网格化处理。随后，我们将该清单纳入WRF-Chem模型中，分别在1月、4月、7月和10月开展了有无船舶排放的对比模拟。本研究主要回答两个问题：首先，国内排放控制区政策实施后，船舶排放的分布特征和空间格局是怎样的？其次，这些排放在强度、季节性、空间分布及污染物组成等方面，究竟在多大程度上影响了长江沿岸城市的空气质量？通过解答这些问题，本研究为优化内河船舶排放清单、识别船舶污染热点以及推动长江航运走廊的绿色治理提供了科学依据。研究框架如图1所示。

研究区域：长江是世界第三长河，自西向东流经中国，最终在上海注入东海（图2）。长江流域水资源丰富，航运条件优越，为大规模内河航运活动提供了有利条件（Chen等人，2019b年）。2023年，长江干线的货物吞吐量超过了38亿吨，占中国全部水路货物运输量的70%以上（交通运输部，2024年）。

排放特征：如图3所示，2023年长江流域五种主要船舶相关污染物的总排放量为190.82千吨/年。其中氮氧化物排放量为156.41千吨/年，占总排放量的82%。其余污染物分别为一氧化碳（16.52千吨/年）、挥发性有机化合物（8.33千吨/年）、二氧化硫（6.69千吨/年）和PM2.5（2.87千吨/年），由此可见，该地区的排放以氮氧化物为主。这一排放特征与中国实施相关政策后的整体趋势一致。

结论：本研究基于2023年的自动识别系统船舶轨迹数据，为长江流域建立了高空间分辨率的船舶排放清单。该清单与WRF-Chem模型相结合，用于模拟船舶排放对空气质量的影响，同时进一步分析船舶排放所导致的污染物组成、不同类型船舶的贡献程度、空间分布特征，以及对NO2、PM2.5和臭氧浓度的影响。主要研究结果如下：首先，船舶……