西北大学 | 芝加哥的污染因社区而异

在这项新研究中，西北地球科学家为密歇根湖南部地区开发了高分辨率的空气污染模拟。新的模拟是第一个通过将高分辨率排放数据与天气和化学运输模型相结合来创建芝加哥上空空气质量的社区规模估计，以显示空气和化学物质如何在整个城市和周边地区跨时间和空间相互作用和移动。这种方法不仅显示了不同污染物的形成地点，还显示了污染物如何扩散，如何与空气中的其他气体和阳光相互作用，以及如何根据季节变化。

这项研究的最终版本今天(3月27日)发表在《地球物理研究杂志:大气》上。

利用新的模拟，研究人员发现，空气污染的负担在芝加哥的社区中并不是平均分配的。研究人员利用他们的模型跟踪了三种主要的危害健康的污染物:二氧化氮、细颗粒物(煤烟、灰尘和烟雾)和臭氧。他们发现，I-290、I-90和I-94沿线社区的二氧化氮和颗粒物浓度是芝加哥污染最低的社区的两倍。而直接毗邻密歇根湖的社区则遭受了更多的地面臭氧污染。

通过提供整个地区详细的、逐个社区的空气污染估计，研究人员旨在帮助决策者为最需要的特定地区找到解决方案，例如为公共交通供电或建造更多的绿色空间。

州际公路沿线社区的二氧化氮和颗粒物浓度是芝加哥污染最低社区的两倍

该研究的资深作者、西北大学的丹尼尔·霍顿说:“准确地描述空气质量真的很重要，因为它会影响人们的身心健康。”“糟糕的空气质量会对一个人的生活质量产生深远的影响，最终可能导致人们过早死亡。因此，了解哪里的空气质量较差至关重要，特别是因为弱势和边缘社区在历史上不公平地承受了空气质量差的负担。”

该研究的主要作者安娜斯塔西娅·蒙哥马利(Anastasia Montgomery)补充说:“当我们研究污染和影响时，仅仅看看排放从哪里来是不够的。”“我们需要考虑该地区的化学、气候学和天气条件。我们可以利用这个模拟来更好地了解整个城市污染的异质性，这最终可能会导致更明智和更公正的政策决策。”

霍顿是西北大学温伯格艺术与科学学院地球与行星科学的助理教授，在那里他领导着气候变化研究小组。蒙哥马利是霍顿研究小组的博士候选人。

确定空气质量的特征，尤其是在社区尺度上，是一项挑战。美国环境保护署(EPA)使用测量各种污染物的传感器网络持续监测美国各地的空气质量。大气层中的卫星每天拍摄一到两次空气质量快照。低成本的传感器网络在部署地点进行非监管估计。

虽然所有这些方法都收集了重要的信息，但它们在数据中留下了关键的空白。

蒙哥马利说:“在美国，平均每1000平方公里只有一个环保局监测仪，所以这是一个相当稀疏的监测网络。”“一个城市的空气污染会有很大的不同，这取决于你是站在公园还是工厂旁边。

“卫星向下观察整个大气层，所以它们只能大致了解在鼻子高度发生的事情。我们希望填补这些空白，使我们能够更好地了解谁暴露在糟糕的空气质量中，以及暴露在城市中是否均匀分布。”

为了填补这些空白，霍顿、蒙哥马利和他们的团队使用了一个新的排放数据集和一个基于物理和化学的耦合模型。基于物理的模型使研究人员能够模拟污染物如何从源头跨越空间和时间移动。基于化学的模型使研究人员能够跟踪二次污染物，如臭氧，它是在氮氧化物(NOx)和挥发性有机化合物(VOCs)排放暴露在阳光下时形成的。

由此产生的模型可以模拟1.3公里大小的空间中每小时发生的空气污染。通过在1.3公里范围内的模拟，研究人员解决了个别城市社区内的高污染区域，并描述了小区域臭氧的季节性变化。

了解哪里的空气质量差是至关重要的，特别是因为弱势群体和边缘群体在历史上不公平地承受了空气质量差的负担。”

丹尼尔·霍顿

地球科学家

在他们的发现中，霍顿和蒙哥马利指出，密歇根湖(包括湖边社区)和农村社区的臭氧含量最高。内燃机汽车排放氮氧化物后，气流将污染物推离城市。然后，氮氧化物暴露在阳光下，与其他化学物质发生反应，产生臭氧。在阳光更容易获得的温暖月份，臭氧水平特别高;在冬季，浓度会减半。

研究人员还发现，无论季节或天气如何，高速公路沿线的氮氧化物和颗粒物水平都是最差的。即使在城市其他地区遭遇高污染的日子，高速公路沿线的污染仍然比其他地区高。

接下来，研究人员计划探索潜在的解决方案，如更广泛地采用电动汽车，如何影响城市的空气污染。

霍顿说:“我们不仅可以以非常精确的分辨率描述空气污染，还可以探索解决问题的方法。”“使用数值模型的美妙之处在于，我们可以进行实验，看看哪些解决方案可以改善空气质量。有了这个模型，我们可以针对受影响最大的人群探索解决方案。”

这项研究，“双向耦合WRF-CMAQ在密歇根湖-芝加哥地区上空模拟社区尺度的空气质量”，得到了美国国家科学基金会、麦考密克工程可持续发展和弹性中心以及西北大学可持续发展和能源研究所碳和气候科学乌本项目的支持。