中国科学院地球环境研究所的邢萌副研究员及其合作者研究发现，化石燃料燃烧产生的水汽在雾霾严重的天气时对大气PM2.5的形成有明显的贡献，从而导致雾霾事件的进一步恶化。该项研究成果以“Vapor isotopic evidence for the worsening of winter air quality by anthropogenic combustion-derived water”为题于近期 （2020年12月14日）发表在美国科学院院刊PNAS上。
雾霾天气是我国近年来面临的严峻环境问题之一。它的频繁发生严重影响着我国居民的日常生活及身心健康。尽管国家及地方政府出台多项政策和实施多项措施以改变这一现状，但雾霾天气仍在多地时有发生。众所周知，PM2.5是雾霾污染物的重要组成部分，而硝酸盐、硫酸盐是PM2.5的主要组成成分。一次污染物NOx、SO2的化学反应是大气硝酸盐、硫酸盐颗粒物的重要来源。理论上讲，水汽作为颗粒物湿增长的重要媒介，其含量的升高会加速氮硫化合物的液相氧化，促进新粒子的生成，从而导致雾霾事件进一步恶化。但是，人类燃烧天然气、石油、煤等化石燃料时也产生水汽（即燃烧源水汽）。它们在总大气水汽中的占比很小，但具体多少以及其对NOx和SO2液相氧化的贡献一直无法定量估计。鉴于此，研究人员认为可以通过对大气水汽氢氧同位素的长期的测量来定量确定，因为不同来源的水汽具有不同的氢氧同位素组成（图1）。
为此，他们在西安市收集了三个采暖季的大气水汽同位素组成及相关大气化学与气象观测数据。结果显示在重雾霾天气，大气水汽氢氧同位素的组成特征确实显现出燃烧源水汽的贡献（图1），这一贡献平均为6.2%。利用大气化学WRF-Chem模型，研究人员又进一步定量估计了燃烧源水汽对于大气PM2.5 浓度的贡献。典型重污染天气的模拟结果表明，燃烧源水汽的平均贡献占西安区域大气总PM2.5的2.8%，占人为源PM2.5的5.1%。考虑到在产生同等热量前提下，燃烧天然气生成的水汽质量是烧煤生成水汽的近3倍，作者建议在大范围实施煤改气工程时应考虑燃烧源水汽排放引起PM2.5增加这一负面影响，尤其是在一些对相对湿度比较敏感的气象条件下。在条件成熟时，未来仍需考虑电能或清洁能源的使用。
图1 西安市大气水汽同位素组成及燃烧源水汽氢氧同位素组成
“整个工作是个多学科合作的典范” ，作为共同通信作者的太阳集团tyc539国际同位素效应研究中心及地球科学与工程学院的鲍惠铭教授指出。 鲍教授目前正在从美国路易斯安娜州立大学向太阳集团tyc539搬家（实验室）。 他说，“能够用实测的大气水汽氢氧同位素来确定人类燃烧源水汽的贡献需要多年的数据。同时， 检验燃烧源水汽与空气污染的关系又需要有长期的空气质量的观测与定量的模拟。这是中国科学院地球环境研究所刘卫国研究员的同位素实验室，安芷生院士和曹军骥研究员多年的大气气象和化学观测，加上李国辉研究组大气模拟的经验等共同促成了这项研究。”
复旦大学环境科学与工程系张宏亮教授对此工作评论道，“大气污染物的形成过程是一个复杂体系，变量众多，很多过程是非线性的。因此，把一个或几个因素对颗粒物浓度增减的贡献单独量化出来是很难的。但这项研究表明，在统计意义上，稳定同位素的长期监测是非常有用的，它能够将人类燃烧源产生的水汽对污染贡献有效定量出来，提高了我们对重污染形成机理的理解。当然这项研究只关注了西安，我们还需要在其它区域进行更多的燃烧源水汽观测以及量化其对重污染事件贡献的模拟。” 张宏亮教授没有参与该研究。
该研究受到了中科院B类战略先导专项、大气重污染成因与治理攻关项目、国家大气研究计划等项目的资助。
