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职卫所廖合堂、吴章甫老师空气污染源解析模式研究 发表于台大校友双月刊

  • 2018-03-26
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职卫所廖合堂、吴章甫老师共同研究空气污染源解析模式,并于台大校友双月刊发表「化繁为简 – 空气污染源解析模式之发展与应用」文章,以下为选刊。

谈到空气污染,就不得不提1952年12月发生的「伦敦雾霾事件(London smog of 1952)」,这起英国史上最严重的空气污染事件,累计造成上千人死亡,十数万人引发呼吸道疾病。主要原因是工业革命以后,燃煤的大量使用加上不利于扩散的气象条件,使得空气污染物(主要是硫氧化物)浓度严重超标。这起着名的空污事件不但成了课堂上的示范教材,也影响了各国空气污染防制法规的修订。
然而即使有这些法规存在,空气污染仍持续影响群众之健康。经过长期的研究,世界卫生组织的癌症研究中心(International Agency for Research on Cancer, IARC)已经将室外空气污染归类为「Group 1:经确证会引起人类癌症者(carcinogenic to humans)」。相关研究亦指出长期暴露于低浓度的空气污染,仍旧对健康会有相当大的危害。

我国环保署于1993年9月设置完成空气品质监测网,持续监控全台之空气污染物包含臭氧(O3)、细悬浮微粒(PM2.5)、悬浮微粒(PM10)、一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)及二氧化氮(NO2)之浓度分布及长期趋势。后续又设置光化学评估监测站(Photochemical Assessment Monitoring Stations, PAMS),针对臭氧前趋物中数十种挥发性有机化合物(volatile organic compounds, VOCs)进行监测,以了解高臭氧形成机制。并以此为依据,拟定及推动各项空气污染防制措施。但随着社会的发展,空气污染物的来源与组成也越趋复杂。为了降低民众暴露于空气污染物,需要发展比过去更加有效之控制策略。因此厘清污染物來源并定量其对空气污染及健康风险之贡献程度也成为当前持续需关注的议题。

由于大气环境是一个复杂的系统,为了简化问题的复杂度,遂带动了各种数学统计模式的发展与应用。不同的模式之间各有其优势及限制,这里仅简单介绍实验室常使用之模式。

土地利用回归模式
传统以环保署空气品质测站监测值代表暴露值之作法有其限制,无法考虑到空间变异性,对于距离测站较远之民众可能会错估暴露值。近年来,地理空间资讯在流行病学研究上的应用日益广泛。特别是地理资讯系统(Geographic Information Systems, GIS)的发展更促进了此类型研究的普及。其中,土地利用回归(Land Use Regression, LUR)模式,即是利用地理空间资讯(例如:道路长度、土地利用类别与面积等)与空气污染物浓度建立关系式。一方面可以了解各个土地利用变项对空气污染物浓度的贡献量,另一方面也可利用此关系式推估距离测站较远之地区的浓度值。我们即曾经利用空气品质测站的资料建立土地利用回归模式,并用以推估台北都会区居民的NO2和PM2.5个人暴露量,而后评估个人暴露量与急性心血管效应之间的关系。另一方面,在北、高两地使用家户采样资料建立的土地利用回归模式也发现PM2.5浓度具有明显的垂直差异,大致趋势为低楼层暴露浓度会大于中与高楼层之暴露,但差异大小仍会受气象条件与各地点环境特性影响。

受体模式
所谓受体(receptor)在这里可以简略解释为承受污染物的个体,而此个体可以是一个人、一个地点甚或是一个城市,端看研究目的与设计而定。以受体为基础的污染源解析模式(receptor-based source apportionment models),简称受体模式(receptor models),是以质量平衡方程式(mass balance equations)为核心,利用受体点采样监测所得到的各类化学物质种类与浓度资料,回推污染源特征与贡献量。我们实验室即曾以受体模式之化学质量平衡法(Chemical Mass Balance, CMB),推估台北都会区空气中的戴奥辛浓度主要来源为交通排放。我们也曾于台湾北部及中部地区分别收集PM2.5成分资料,搭配光化学评估监测站VOCs监测数据,以正矩阵因子法(Positive Matrix Factorization, PMF)解析研究地区污染物来源与评估其贡献量。

正因为模式具有简化问题的特性,在求解的过程中只能尽可能地逼近真值。然而在真值未知的状况下,模式的运用必须格外谨慎,以免偏离真值而不自知。我们建立土地利用回归模式时主要参考欧洲空气污染世代研究计画(European Study of Cohorts for Air Pollution Effects, ESCAPE)所订定之规范,透过详尽的指引可以降低人为或主观意识造成的偏差。受体模式则是参考已发表文献及美国环保署针对其开发之受体模式应用软件之操作指引。台湾对受体模式之应用自CMB开始已有十数年以上经验,然而过去受体模式并未有国际间共通的技术指南,直到2014年欧洲地区才发布一份公开的受体模式指引「European Guide on Air Pollution Source Apportionment with Receptor Models」。为了强化各个研究间模式运用与结果判读的一致性,我们也透过举行论坛的方式邀请国内外相关之专家学者参与座谈并蒐集回馈意见,以促使政府研订确实可行的受体模式使用指南。如此一来,在控制策略的拟定上将更为有效且具备其法源依据。

空气污染是道复杂的难题,我们致力于模式的发展与运用正是为了化繁为简,让这道难题变得易解。在此同时,也需要凝聚各界的共识与通力合作,不要为了短暂的利益牺牲了长远的环境与健康。

参考资料
环境保护署,空气品质监测网(https://taqm.epa.gov.tw/taqm/tw/default.aspx)。
卫生福利部国民健康署,细悬浮微粒(PM2.5)之健康自我保护专区(https://www.hpa.gov.tw/Pages/List.aspx?nodeid=441)。
Wu, C.F., Lin, H.I., Ho, C.C., Yang, T.H., Chen, C.C., Chan, C.C. 2014 “Modeling Horizontal and Vertical Variation in Intraurban Exposure to PM2.5 Concentrations and Compositions” Environmental Research, 133, 96-102.
Ho, C.C., Chan, C.C., Chio, C.P., Lai, Y.C., Chang-Chien, G.P., Chow, J.C., Watson, J.G., Chen, L.-W.A., Chen, P.C., Wu, C.F. 2016 "Source Apportionment of Mass Concentration and Inhalation Risk with Long-Term Ambient PCDD/Fs Measurements in an Urban Area" Journal of Hazardous Materials; 317: 180-187.
Liao, H.T., Yau, Y.C., Huang, C.S., Chow, J.C., Watson, J.G., Chou, C.C.K., Wu, C.F. 2017 "Source Apportionment of Urban Air Pollutants Using Constrained Receptor Models with a Priori Profile Information" Environmental Pollution, 227, 323-333..