圖片來源:天下資料,周書羽攝。

由於莊秉潔教授忽視近20年來國際上在空氣品質模擬相關技術之發展,仍然使用極度簡化的高斯煙流軌跡模式(GTx)分析台灣PM 2.5的問題,造成他在10月16日於獨立評論投書關於台灣PM 2.5議題的解讀內容有許多錯誤。為了避免錯誤繼續延伸,謹以此文做一些澄清。

莊教授的三個錯誤

莊教授的第一個錯誤是對於模式性能評估量化指標「分數偏差(MFB)」的誤解,造成他整體投書內容關於PM 2.5來源比例的計算與推論,都是錯誤的。莊教授以為PM 2.5全年平均之MFB = -15.2%就是低估15.2%,是對MFB指標的不瞭解,建議莊教授先去瞭解清楚指標的意義。

空氣品質模擬的誤差可能來自三個面向:排放量推估的誤差、氣象資料的誤差、及空氣品質模式本身的誤差。第一個面向中,與PM 2.5相關的污染物包括原生PM 2.5、二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、氨(NH3)及揮發性有機物(VOCs)的排放量,都可能有誤差。對於誤差來源的分析本來是改善模擬結果過程中的一個嚴肅科學問題,但是莊教授卻只簡單的全部歸因於工廠二氧化硫(SO2)排放量的低估,忽略了其他的可能原因,這是莊教授的第二個錯誤。

由於台灣周遭海域繁忙的船舶運輸,航行船舶數平均每日達3千多艘,這些船舶大部分是使用高硫份的油,且幾乎沒有使用任何污染控制設備,因此排放了相當多的原生PM 2.5、二氧化硫(SO2)及氮氧化物(NOx)。根據成功大學吳義林教授的研究,船舶運輸二氧化硫(SO2)排放量是台灣整體排放量的5.8到7.1倍,氮氧化物(NOx)排放量則是台灣整體排放量的2.6到2.9倍,這些因素都是造成PM 2.5、二氧化硫(SO2)及氮氧化物(NOx)模擬結果低估的可能原因。由於是在海域排放,過去並未納入2010年版的台灣空氣污染排放清冊(TEDS)中,2016年版的TEDS應會納入。

莊教授在投書中以圖3最右側之圖,說筆者模擬2007年高汙染情境的PM 2.5分佈,没有模擬出紫爆的情境。事實上筆者不曾做過這張圖,這張圖的濃度分布明顯經過內差,筆者使用的網格模式可以模擬所有的網格點,不需經過內差,此圖或許是莊教授所做,卻指為筆者之模擬結果,此乃非常缺乏學術倫理之行為,這是莊教授的第三個錯誤。

CMAQ及GTx的不同模式

過去20年來懸浮微粒(PM)模擬科學與技術的發展相當快速,筆者用來模擬分析台灣空氣品質相關問題使用的模式工具是CMAQ(社群式多尺度空氣品質模式),是一個美國環保署推薦、並持續在更新以容納最新科學與技術(state-of-science and state-of-art)的先進空氣品質模式,國際上以此模式為基礎進行空氣品質研究、發展與應用之社群人口估計應有上萬人。反觀莊教授全然無視於近20年來空氣品質模擬科技之發展,仍然使用過多假設、過度簡化之高斯煙流軌跡模式(GTx),此模式除了莊教授之外,全世界應該沒有其他團隊在使用,因而得到很多不合理的模擬結果。

為了釐清CMAQ及GTx二種模式之差異,筆者整理了一張比較表,如下表所示。針對GTx模式的主要問題說明如下:

1. GTx模式無法模擬大氣NH3、NO、NO2及VOCs濃度,而這些污染物是PM 2.5的前驅物。
2. GTx模式沒有考慮大氣中水氣(包含氣態及液態水)對PM 2.5的影響,而台灣四面環海、相對濕度高,水氣凝結對大氣氣膠之粒徑與與液相化學反應非常明顯而重要。
3. GTx模式沒有核化、膠結、凝結、蒸發等氣膠動力程序模組,因此無法考慮這些氣膠動力機制對PM 2.5濃度的影響。
4. GTx模式沒有化學反應模組,沒有計算PM 2.5前驅物之大氣光化學反應、氣相化學反應、及液相化學反應,因此無法考慮這些高度非線性反應對PM 2.5濃度的影響。
5. SO2與NOx的化學轉化在學理上與太陽輻射、水氣、溫度等參數高度相關,但GTx模式卻假設無論白天或夜晚、晴天或雨天、低溫或高溫之轉化率永遠不變,此項假設將造成PM 2.5模擬濃度在空間與時間分布上的重大誤差。
6. GTx模式假設無論地面或高空,NH3相對於SO2與NOx皆永遠過量存在。試想燃煤電廠250公尺煙囪在空中排放出來含有SO2與NOx的煙流,需要有多少NH3在同一煙流內才能將其轉化成硫酸銨與硝酸銨?應請注意NH3主要是由畜牧業與農業活動在地面排放。
7. GTx模式沒有VOCs轉化為有機碳(OC)之機制,而有機碳(OC)是大氣PM 2.5主要成分之一。
8. GTx模式沒有計算台灣以外其他國家排放源對台灣PM 2.5之直接與間接影響,而是以陽明及恆春站代表境外之傳輸量,忽略境外傳輸影響之地形與化學反應效應。
9. GTx模擬濃度與環保署測站觀測值要先行校準,正常模擬不應有此校準程序。此程序就如同先射箭後再劃靶。這樣的調整將喪失科學上最重要的質量守恆原則,也喪失了各種污染物間之化學反應平衡性。
10. GTx模式驅動空氣污染物傳輸之水平風場,乃由地面觀測資料內差(或客觀分析)而得,在垂直剖面上風速風向沒有變化,亦即風場沒有垂直風切,污染物傳輸以垂直氣柱方式往前推進,此項假設在山區或長距離傳輸時,將造成很大的誤差。

今年6月綠色和平組織召開「臺灣燃煤電廠健康風險評估研究計畫」專家座談會,請筆者提供意見時,上述對於GTx的看法都已經提供綠色和平組織參考。

空氣品質模擬分析的研究結果本來應該是屬於學術研究領域探討的範疇,筆者個人研究結果環保單位是否參考運用,也都非筆者所能左右,不像莊教授會力促他人接受其看法。莊教授非常關心台灣環境議題,但筆者深盼,請莊教授珍惜台灣自由的研究空間,各自精進學術工具能力,以更加理解台灣空氣品質的現象與影響機制,才能真正看到環境品質改善的正確方向。至於超超臨界燃煤電廠,經過高效率的污染減量控制,是不是仍然為重污染,請和與您見解並不相同的交通大學蔡春進講座教授及中央大學張木彬特聘教授討論!

CMAQ及GTx二種模式之差異比較。

(作者為國立雲林科技大學環境與安全衛生工程系特聘教授。)

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