臺灣整體空氣品質有變好嗎？有，但還需要解決臭氧這個隱藏角色

2012 年 5 月，環境保護署發布「空氣品質標準修正草案」正式將 PM_2.5 納入臺灣空氣品質管制，從圖表中可以看到，自 2012 年以來，PM_2.5 的平均濃度的確有逐年降低的趨勢。

從數據來看，PM2.5 的平均濃度有逐年下降的趨勢，但是秋冬季節的汙染衝擊依然顯著。圖中每個資料點代表一個月的平均值。 圖｜研之有物（資料來源｜周崇光）

PM_2.5 除了逐年降低之外，大家也可以觀察到， PM_2.5 其實有非常強的「季節性」。

一般而言，秋天、冬天時，中西部大多位於中央山脈的背風面，風速微弱不易將汙染物吹散，汙染濃度相對高；反之春天、夏天時，因為擴散條件好，汙染濃度就相對低。

因此，夏天時，臺灣各縣市的汙染狀況差異不大，但一進入秋冬，汙染濃度在空間分佈上就呈現出非常明顯的差異：中南部特別嚴重。

從數據來看，臺灣各縣市的能見度在夏天時差異不大，但是中南部在秋冬時的能見度仍然不佳。圖中每個資料點代表一個月的平均值。 圖｜研之有物（資料來源｜周崇光）

隨著時間推進，PM_2.5 汙染正在逐漸改善，但整體而言，汙染情況還是很嚴重，尤以中南部更為嚴峻。我們可以說，臺灣空氣品質在眾人努力之下慢慢變好，但我們離好的空氣品質仍然有一段很遙遠的距離。

"「在變好，可是遠遠不夠好」周崇光這麼說。"

大家的濃度都在降，除了臭氧？

前面已提到 PM_2.5 濃度逐年降低，其他空氣汙染物諸如非甲烷碳氫化合物（NMHC）、氮氧化物（NOx）的數據都有逐年下降的趨勢，但臭氧（O₃）一枝獨秀，不僅沒有變少，有時甚至還會有上升的跡象。

這到底發生了什麼事？

從數據來看，空氣汙染物例如非甲烷碳氫化合物（NMHC）、氮氧化物（NOx）都逐年降低，然而臭氧（O3）濃度卻沒有變少的趨勢。圖中每個資料點代表一個月的平均值，「12 移動平均」表示汙染物在該年連續 12 個月的平均值。 圖｜研之有物（資料來源｜周崇光）

若想要了解箇中原因，我們必須回顧臭氧的形成機制，與都市的光化學煙霧（Photochemical smog）有關（見下圖）。

首先，氮氧化物（NOx）和揮發性有機化合物（VOCs），是形成臭氧（O₃）的主要前驅物。

二氧化氮（NO₂）在紫外線的照射下（hν 表示能量），會分解成一氧化氮（NO）和一顆氧原子（O），當這顆氧原子碰到氧氣（O₂）時，就跑出臭氧（O₃）。

當揮發性有機化合物（VOCs）碰上氫氧自由基（OH·）時，會被氫氧自由基氧化形成有機過氧自由基（RO₂·），有機過氧自由基隨後會氧化一氧化氮（NO），並使二氧化氮（NO₂）再生回來，由此可在大氣中循環產生臭氧。

光化學煙霧是空氣汙染物的混合物，是由氮氧化物（NOx）和揮發性有機化合物（VOCs）與陽光發生一系列反應而成，而臭氧（O3）就在反應路徑中不斷循環。 圖｜研之有物（資料來源｜周崇光）

等等，那臭氧持續上升的原因是？

雖然 NO₂ 被紫外線分解後會產生 NO 和 O₃，要注意的是 NO 碰上 O₃ 時，又會反應為 NO₂，於是 NO—NO₂—O₃ 在大氣中保持著動態的平衡關係，因此當我們減少一氧化氮的汙染時，上述的光化學平衡就會有利於增加臭氧的濃度。

而在過去這些年，我國的汙染防制使得大氣中氮氧化物濃度一直在減少，一氧化氮也相應下降，當一氧化氮愈來愈少的時候，也愈來愈少的臭氧會被轉化成二氧化氮，使得累積在空氣中的臭氧變多了。

因此，我們在下圖可看到，代表臭氧的紅線上升了，而代表二氧化氮的綠線下降了。

臺灣的汙染防制使得大氣中氮氧化物濃度一直在減少，一氧化氮也就相應下降，當一氧化氮愈來愈少的時候，也表示愈來愈少的臭氧會被消耗轉化成二氧化氮，使得累積在空氣中的臭氧變多了。圖中每個資料點代表一個月的平均值，「12 移動平均」表示汙染物在該年連續 12 個月的平均值。 圖｜研之有物（資料來源｜周崇光）

既然無論空氣品質變好或變壞，臭氧的濃度都很高，甚至都會變高，那麼研究人員到底該怎麼確認整體空氣品質真的有所改善？

周崇光指出，事實上，只要將「臭氧和二氧化氮的濃度加起來」，統合為「大氣氧化劑的濃度」，並和其他汙染物進行比對，就可以從數據中確認：即使臭氧的濃度上升，但兩者總和的數據是減少的、空氣品質的確正在改善！不過還要更加努力才能克服上述的困境，進而成功降低大氣中臭氧的濃度。

衍生型 PM_2.5：都市空氣品質的挑戰

我們總是用 PM_2.5 來統稱粒徑小於或等於 2.5 微米的細懸浮微粒，用 PM₁₀ 統稱粒徑小於或等於 10 微米的懸浮微粒，也就是說，它指的是粒徑在某個尺寸內的粒子濃度。

然而，你有沒有想過，這些懸浮微粒到底包含了哪些東西呢？

周崇光笑著說，「裡面五花八門，什麼怪東西都有啦！」，懸浮微粒的成分可是高達上百種呢！

臺灣的 PM_2.5 組成非常複雜，像是海鹽、元素碳（也稱黑碳，EC）、硝酸離子（NO₃-）、硫酸離子（SO₄²-）、銨離子（NH₄⁺）、重金屬、以及各式各樣的有機化合物等等，不同縣市的組成分布也有所差異。

比較中研院過去（2003-2009）與環保署最近（2017-2021）各自調查的 PM_2.5 化學組成，近五年來雖然臺灣 PM_2.5 整體濃度下降了，但是 PM_2.5 主要的組成分布則沒有明顯改變。

中研院與環保署調查了臺灣 PM2.5 整體濃度與組成，圓餅圖中心為該地區的 PM2.5 平均值，近五年來，同一地區 PM2.5 整體濃度下降，但化學組成無明顯改變。 圖｜研之有物（資料來源｜周崇光）

周崇光提到，要解決臺灣的 PM_2.5 空汙問題，減少衍生型 PM_2.5 才是主線！

與黑碳、海鹽這些直接來自大自然或人為產生的「原生」微粒不同，大部分硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽和有機微粒是在大氣中經過複雜化學反應「衍生」而成的，因此稱為「衍生型 PM_2.5」。

衍生型微粒的生成，除了需要有特定的前驅氣體，例如：SO₂ 氧化後產生硫酸鹽、NO₂ 氧化後產生硝酸鹽，以及有機氣體氧化後產生有機微粒等；還需要有促成反應的大氣氧化劑，例如：臭氧（O₃）和氫氧自由基。

"這顯示出臺灣的 PM_2.5 跟臭氧是一體兩面的空汙難題。"

由於高濃度的衍生型 PM_2.5 在人類肉眼來看宛若煙霧一般，再加上是由一系列光化學反應而成，因此又稱為光化學煙霧。

洛杉磯是受光化學煙霧汙染的著名案例，大英百科全書提到，光化學煙霧又可稱為洛杉磯煙霧（Los Angeles smog）。 圖｜photos_mweber

中研院團隊過去幾年持續在臺灣地區進行的 PM_2.5 的化學特徵調查，研究顯示，衍生型 PM_2.5 在細懸浮微粒汙染中佔據了非常大的比例（>70％）。然而可惜的是，礙於儀器技術的關係，團隊無法在全臺灣遍布監測 PM_2.5 成分的儀器。

若是想要將不同來源的 PM_2.5 化學成分準確即時的分析出來，這樣的儀器造價不菲。因此周崇光表示，在光化學煙霧的議題上，大氣科學家的目標並非獲得長期連續的監測資料，而是在關鍵的幾個研究站中，致力於找出光化學煙霧的基礎理論架構和反應機制，並協助政府機關制定防制策略。

中研院 2019 年 3 月曾在高屏地區的都市區進行 PM2.5 的化學特徵調查，共取樣 8 個地點，平均結果如上圖。銨鹽、硝酸鹽、硫酸鹽和有機微粒這些衍生型 PM2.5 的比例佔了七成以上，可看到都市區的硝酸鹽和有機微粒的比例有明顯增加。 圖｜研之有物（資料來源｜周崇光）

就在臺中！全臺第一座都市空氣汙染研究站

為了釐清城市臭氧和 PM_2.5 濃度變異的物理化學機制，中央研究院環變中心底下的空氣品質專題中心於 2021 年底，在臺中建立了全臺第一座整合都市氣象學和大氣化學的研究站，是國內目前最完整的大氣物理化學監測站。

在這個研究站中，大氣科學家除了可以即時監測 PM_2.5 的濃度，也可以掌握懸浮微粒的化學成分，包括量測揮發性有機物、二氧化氮、二氧化硫、一氧化氮、臭氧等微粒前驅汙染物的濃度變化，藉此釐清都市空品的關鍵因子，協助研擬汙染防制策略。

然而，為什麼要將研究站設立在臺中呢？周崇光表示，「無論是人口、能源、地理位置，還是大氣科學的角度，臺中均有著特殊的價值和意義」。

在空氣品質不佳的中西部之中，臺中不僅是人口數最多的都市，地理位置也讓臺中的邊界層條件具有相當高的複雜性，若能破解臺中盆地大氣環流的詳細機制，將對都市氣象學帶來可觀的突破，而臺中火力發電廠的汙染和牽涉的能源議題，更是國內社會相當關注的重要焦點，因此，中研院空品專題中心最終決定將研究站設立於臺中。

中研院空品專題中心預計在三年後（2025 年），於臺中研究站取得第一階段的經驗和資料，隨後延伸應用至臺灣的其他城市，希望能透過學術研究與各單位協作逐步解決都市空氣品質的問題，突破當前空氣汙染防制的瓶頸。

中央研究院空氣品質專題中心於 2021 年底，在臺中建立了全臺第一座都市空氣汙染研究站，希望找出臺灣都市區空氣品質的關鍵因子。 圖｜周崇光

本文轉載自《研之有物》，一個串聯您與中央研究院的科普橋梁。