第1章 绪论
1.1 我国大气污染概述
在世界范围内，大气污染是第四大健康危险因子。细颗粒物（PM2.5）和臭氧（O3）是大气污染的主要来源。据全球疾病负担（Global Burden of Disease，GBD）研究数据库，2019年，全世界有667万人死于室内和室外的空气污染。其中PM2.5的暴露就导致了414万人的过早死亡。大气颗粒物对人体健康的影响有多种方式和作用机制。高浓度PM2.5可引发许多健康问题，例如呼吸道疾病、心血管疾病等。PM2.5暴露对某些易感人群（如糖尿病前期、高血压、慢阻肺等疾病的患者）的影响更大。2014年世界卫生组织报告指出，空气污染对糖尿病患者的过早死亡影响达到20%，而对慢阻肺患者甚至达到40%以上。
很多空气污染物对人体健康的影响没有明确的阈值，因此即使在低浓度大气污染物暴露下，仍可能存在健康风险。Huang等（2019）研究发现，当PM2.5年均浓度为10μg/m3时，人体长期暴露其中可能存在中风、患呼吸道疾病等风险。世界卫生组织把提高全球人口的健康水平作为*要任务，积极开展空气污染防治工作。2021年，世界卫生组织更新了《全球空气质量指南》（以下称为新指南）。这是该指南自2005年颁布以来*次更新。新指南涵盖了颗粒物（PM2.5、PM10）、臭氧（O3）、二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2）和一氧化碳（CO）等六种主要空气污染物的指导值水平。此外，新指南将2005年世界卫生组织建议的PM2.5年均浓度指导值降低到5μg/m3，PM10从20μg/m3降至15μg/m3。世界卫生组织估计，如果遵循新指南，由PM2.5造成的死亡80%可以被消除。新指南为推进我国大气污染防控工作提供了科学依据。
我国采取应对空气污染的干预措施和政策始于20世纪90年代。从“十一五”规划开始，SO2和NOx排放总量目标开始定量化并强制实施。例如“十三五”规划中，要求全国SO2和NOx排放总量分别下降15%。国家采用强制性目标与“目标责任制”相结合的方式，制定总目标分配给各省，各省进一步将目标进行分解。各级政府重点针对电力、工业、化工、交通、居住等关键领域采取一系列措施来实现目标。通过垂直问责制度，我国的空气质量治理将自上而下的目标设定和规划与地方和行业的减排举措结合起来，有效地遏制了全国污染物排放总量的增长。例如，在2006年，SO2、NOx的年排放量达峰值，此后逐年减少，直到2010年再达峰值，再逐年减少。同时，通过SO2排放控制和能源结构改善，酸雨问题也得到了有效解决。
尽管传统污染管控措施在全国范围内减少了SO2和NOx的排放总量，但却难以降低重点城市地区的PM2.5浓度，这是复杂的气候和大气化学过程造成的。2013年1月，中国中东部地区发生了以PM2.5为*要污染物的大范围雾霾污染，持续时间长、影响严重。高浓度的雾霾和PM2.5被媒体广泛报道，引起了政府和公众前所未有的关注。因此，我国对空气污染“宣战”，制定了《大气污染防治行动计划》（又称“大气十条”）《打赢蓝天保卫战三年行动计划》（又称“蓝天保卫战”）等一系列重大政策、规定和行动方案。为京津冀、长三角、珠三角等重点地区制定了具体实施方案，明确了减少主要大气污染物排放、减少空气重污染天数等具体目标，主要治理措施包括全面控制重污染企业、调整产业和能源结构、创新污染治理技术、控制煤炭总量、建立区域合作机制等。随着这些关键政策的实施，我国大气污染防治工作取得卓越成效，空气质量逐步提高。
研究表明，从2013年到2021年，我国各重点城市整体上PM2.5浓度明显下降。2019～2021年PM2.5年均值和1月平均浓度分别为23.95μg/m3和37.94μg/m3，与2013～2015年同期相比，降幅分别达到30.11%和27.41%（巫燕园等，2024），全年和冬季PM2.5浓度也呈持续下降趋势，表明“大气十条”和“蓝天保卫战”等关键行动计划的实施已经取得了显著成效（巫燕园等，2024）。自党的十八大以来，在“打好污染防治攻坚战”方面出台了一系列重要的政策措施及行动计划（图1.1）。《2022中国生态环境状况公报》显示，2022年，全国339个地级及以上城市中，环境空气质量达到标准的有213个，占62.8%；126个城市环境空气质量超标，占37.2%。在这些城市中，PM2.5浓度超过标准的有86个，占25.4%；可吸入颗粒物（PM10）浓度超过标准的有55个，占16.2%；O3浓度超过标准的城市有92个，占27.1%。339个城市环境空气质量优良天数比例在24.9%～100%，平均为86.5%，比2021年下降1.0个百分点；其中，以PM2.5、O3和PM10为主要污染物，超标天数占总超标天数分别为36.9%、47.9%和15.2%。如图1.2所示为2022年我国339个城市环境空气质量各级别天数比例。图1.3中展现了2022年我国339个城市PM2.5年均浓度区间分布及年际变化。
图1.1 党的十八大以来重要的环保政策措施及行动计划
我国环境空气治理，尤其是PM2.5防治取得了显著成效，但O3污染凸显，区域大气复合污染形势依然严峻（赵辉等，2018；Zhang et al.，2019；Zeng et al.，2020）。在PM2.5浓度减小的同时，NOx和SO2浓度也有所减小，这与加强工业排放标准、升级工业锅炉、淘汰落后工业产能以及在居民生活保障部门推广清洁燃料等措施有关。然而，O3浓度呈上升趋势。有研究表明，实施《大气污染防治行动计划》后，全国整体上夏季O3日*大8小时平均浓度（MDA8 O3）从2015年的91.6 μg/m3上升到2018年的103.1 μg/m3。同
图1.2 2022年我国339个城市环境空气质量各级别天数比例
（引自《2022中国生态环境状况公报》）
图1.3 2022年我国339个城市PM2.5年均浓度区间分布及年际变化
（引自《2022中国生态环境状况公报》）
时各区域变化差异较大。2013～2017年期间，京津冀、长三角、珠三角和四川盆地等区域的夏季O3分别以3.1 ppb/a、2.3 ppb/a、0.56 ppb/a和1.6 ppb /a的速率上升。这种上升归因于PM2.5的减少增加了大气辐射强度的透射率并促进了O3的光化学反应速率。自2013年以来，我国的全年和夏季O3浓度一直持续上升（宋佳颖等，2020）。O3年均浓度持续超过100 μg/m3，明显高于多个国家和国际组织制定的建议标准。2019～2021年，MDA8 O3年均值和7月均值分别为119.86 μg/m3和121.74 μg/m3，与2013～2015年同期相比分别上升了17.29%和18.41%（Qiao et al.，2024）。O3高浓度区主要为华北平原、中原地区和长三角、珠三角等东部沿海地区（黄小刚等，2019）。
通过对PM2.5来源的分析，将其划分为一次气溶胶和二次气溶胶。一次气溶胶来自污染源，一次污染前体物质与空气中的成分发生光化学反应生成二次气溶胶，其中包括二次有机气溶胶（secondary organic aerosol，SOA）和二次无机气溶胶（secondary inorganic aerosol，SIA）。SOA*初是由环境挥发性有机化合物（volatile organic compound，VOC）的光化学反应形成的，然后是半挥发性含氧产物的缩合或自成核。SIA主要由硫酸盐、硝酸盐和铵盐三种成分构成，是大气中的氮氧化物（NOx）和二氧化硫（SO2）在光化学反应过程中生成的。大气中的分子、原子、自由基和离子在吸收了太阳光后，产生光化学反应。通常，空气中的吸收剂在吸收了光子后会进入激发状态，与其他物质进行光化学反应。空气中存在着大量的自由基，包括羟基（？OH）、氢过氧基（HO2？）、烷氧基（RO？）和过氧烷基（RO2？）等，这些自由基与氮氧化物和VOC发生反应，产生一系列二次气溶胶污染物，构成PM2.5的重要成分。因此，当大气环境中O3污染增强时，大气氧化能力也增强，导致在不利气象条件下O3和二次气溶胶浓度均快速增高，从而出现大气PM2.5-O3复合污染事件。
2020年以来，新型冠状病毒（COVID-19）疫情在世界各地先后暴发蔓延。在控制疫情的同时，人类生产生活活动的急剧减少使得大气污染物的人为排放大大降低。因此，对于生态环境而言，疫情的发生可视为进行了一次机会极为难得的人为污染源减排控制实验（Le et al.，2020；Mousazadeh et al.，2021）。研究疫情期间区域空气质量的变化以及集中减排对空气质量的影响，对于我国目前区域大气复合污染防治来说，具有极为重要的科学意义（Wang and Su，2020；Zhu et al.，2021）。
在疫情管控期间，生产停工和交通出行锐减使得一次污染物排放量大幅度减少（Bao and Zhang，2020）。卫星探测反演大气成分浓度数据表明，与同期相比，华东地区在疫情管控期间对流层NO2柱浓度平均减少了65%（Fan et al.，2020；Bauwens et al.，2020）；地面站点常规监测数据也表明，相比2019年，华东地区在疫情管控期间CO和NO2等一次污染物的浓度分别降低了20%和30%（Wang et al.，2020a；Shi and Brasseur，2020）。然而，部分地区在COVID-19疫情期间大气环境状况并未显著改善，甚至还出现反常的恶化现象（Pei et al.，2020）。例如，京津冀和长三角地区，从疫情发生前到疫情管控期间，O3日平均浓度分别急剧增加了90%和70%以上（Sicard et al.，2020；Yuan et al.，2021）；北京地区典型的光氧化标志性产物（如过氧乙酰硝酸盐）在疫情管控期间（2020年1月24日至2月15日）日均浓度甚至达到4 ppb，其平均值是疫情发生前（2020年1月1日至23日）的2～3倍，达到历史*高纪录（Qiu et al.，2020）；各城市在COVID-19疫情管控时间段内PM2.5浓度出现了下降的趋势，但各区域变化差异性较大（变化幅度为？12.9%～15.1%）（Li et al.，2021b），部分地区呈现上升趋势，甚至还多次出现了令人费解的严重雾霾事件（He et al.，2020；Lv et al.，2020）。COVID-19疫情管控期间严重雾霾事件的发生以及反常的空气质量变化，也一度引起公众和决策者对有关雾霾污染机理科学认识的怀疑。COVID-19疫情导致的“意外减排”对区域环境空气质量的影响机理成为一个新的热点问题。
为了揭示COVID-19疫情管控期间区域严重雾霾污染的发生机理，众多学者从颗粒物来源解析、气候条件对雾霾形成影响、二次污染形成的理化机制、大气光化学氧化能力等多角度开展研究，发现疫情急剧减排期间区域二次PM2.5的快速生成与O3的急剧增加有密切联系。例如，Sun等（2020）研究了疫情暴发期间北京大气气溶胶组分，通过与6年同期数据的对比分析，发现疫情发生后PM2.5中一次气溶胶含量平均减少了30%～50%，但二次组分的大量生成很大程度上抵消了一次污染物减排的作用。Chang等（2020）利用数值模拟方法对上海市2020年和2019年春节期间的大气颗粒物浓度进行了数值模拟，结果显示，在2020年春节期间，PM2.5中二次气溶胶的含量较2019年春节前增加了16%。Huang等（2020）基于WRF-Chem（weather research and forecasting model coupled to chemistry）区域空气质量模型，研究了疫情管控期间VOC和NOx减排与O3及二次颗粒物生成的非线性关系。模拟结果表明，疫情期间交通排放显著降低导致NOx排放大幅减少
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