ES&TLetters: 以分子标志物法约束我国东部CFC-11的排放量上限

张艳利 研究员

CFCs (氟氯烃类化合物,又称“氟利昂”)是一类从上世纪三十年代开始使用的第一代制冷剂和发泡剂。CFCs在对流层中很稳定,寿命达几十到上百年,可传输至平流层并光解产生活性氯原子,对臭氧层产生巨大的破坏作用。为保护臭氧层,自20世纪80年代开始,各国在《蒙特利尔议定书》及其修正案的框架下,先后限制了包括CFCs在内的消耗臭氧层物质(ODS)的生产和使用。我国做为发展中国家,应在2010年1月前完全停止生产和使用CFCs。CFC-11(CCl3F,一氟三氯甲烷)贡献了平流层中约四分之一的活性氯原子,一个氯原子可以破坏十万个臭氧分子,因而对臭氧层的破坏能力极强。随着《蒙特利尔议定书》及其修正案的实施,大气中CFC-11的浓度在90年代中期达到峰值后开始逐步下降。然而,2018和2019年相继发表在《Nature》上的两篇文章,发现2012年后大气中CFC-11的浓度下降速率变慢,推测可能出现了CFC-11的“意外排放”,并基于在太平洋全球背景站点的观测指出该“意外排放”主要来自东亚,中国东部贡献了全球CFC-11“意外排放”的约40-60%,而山东和河北等可能是排放热点地区。这一发现引起了媒体的广泛关注,使我国遭受了严重的环境外交压力。客观而言,这些研究对中国东部CFC-11排放量的估算均是基中国大陆以外极少数站点的观测数据,且不同研究估算的排放量相差很大,非常缺乏基于本地实测数据的估算和评估。

针对这一问题,中国科学院广州地球化学研究所王新明研究员和张艳利特任研究员课题组与山东大学薛丽坤教授、中国科学院烟台海岸带研究所唐建辉研究员和加州大学尔湾分校Donald Blake教授合作,利用2012-2018年间在山东的三个郊区站点以及泰山顶和砣矶岛两个区域背景站点的观测数据,对CFC-11的变化趋势和排放情况进行了评估。研究发现,与夏威夷Mauna Loa全球背景站点相比,在山东同期测得CFC-11浓度水平要高出17-23%,但结合前期研究结果来看,2012-2018年CFC-11水平仍呈显著下降趋势,且下降速率(-3.8 ppt yr-1)高于全球背景站下降速率(-1.2 ppt yr-1)(图1)。必须看到,观测期间泰山顶和砣矶岛站点后向气团轨迹表明,经过山东半岛聚氨酯泡沫工业区气团的CFC-11浓度明显增加,间接说明CFC-11的“意外排放”可能与聚氨酯泡沫工业生产活动有关(图2)。我们进一步基于示踪物比值法对我国东部CFC-11排放量进行了估算,两个站点基于一氧化碳(CO)、氯仿(CHCl3)和四氯化碳(CCl4)等示踪物的估算结果比较一致(图3),得出我国东部CFC-11的平均排放量14.7±4.3 Gg yr-1。这一结果低于前期国外研究估算值,且由于我们的估算是基于在排放热点地区观测的CFC-11与示踪物比值来代表整个东部地区,因而该排放量应是我国东部CFC-11的排放上限。

我国一直积极参与并推进落实《蒙特利尔议定书》及其修正案。研究指出,此次我国履约工作陷入同际质疑的被动局面,与缺乏有效的监测评估体系有关。如果有高精度、高时间分辨率的监测网络,及时发现和捕捉异常的非法排放,就可避免出现这种被动局面。2018年以来,我国生态环境部开展了多次全国性ODS执法专项行动,并计划建设ODS背景浓度监测网络,为履行《蒙特利尔议定书》及其修正案提供科学支撑。

图1. 本研究报道的CFC-11浓度(实心)与前期文献报道的CFC-11浓度(空心)。浅绿色实线为NOAA MLO全球背景站2000 – 2018年CFC-11浓度变化;灰色虚线为在山东观测到的CFC-11浓度呈下降趋势。

图2. 2014年砣矶岛站点120h气团后向轨迹的聚类结果及每条聚类中CFC-11、CO和主要卤代烃(CFC-12、HCFC-22、CH2Cl2、CHCl3和CCl4)的浓度

图3. 基于CFC-11与多种示踪物比值估算中国东部CFC-11的排放量

研究受到国家自然科学基金委、中国科学院先导专项、中国科学院青年创新促进会和广东省科技厅等项目的联合资助。相关研究成果近期发表在Environmental Science & Technology Letters。
论文主要实验数据在中国科学院广州地球化学研究所公共技术服务中心有机地球化学分析平台完成测试。

论文信息:Huang, X.Q.; Zhang, Y.L.*; Xue, L.K.; Tang, J.H.; Song, W.; Donald, B.; Wang, X.M.* Constraining Emission Estimates of CFC-11 in Eastern China Based on Local Observations at Surface Stations and Mount Tai. Environmental Science & Technology Letters, 2021, 8, 11, 940–946. https://doi.org/10.1021/acs.estlett.1c00539.

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.estlett.1c00539