在美国环境保护署（EPA）用于减少化学物质及其他影响的工具中，添加了用于评估臭氧形成潜力的空间分辨特征因子

《Science of The Total Environment》：Adding spatially-resolved characterization factors for ozone formation potential in the United States Environmental Protection Agency's tool for the reduction of chemical and other impacts

更新TRACI工具中臭氧形成模型，基于SAPRC盒模型计算1008种挥发性有机化合物的最大增量反应活性，构建覆盖219个城市原型的人类活动模式，实现全球多尺度臭氧影响因子推导，提升生命周期评估的空间分辨率。

　　

安德鲁·D·亨德森（Andrew D. Henderson）|凯莉·C·巴桑蒂（Kelley C. Barsanti）|哈瓦拉·O·T·派（Havala O.T. Pye）|大卫·E·迈耶（David E. Meyer）|安德鲁·W·贝克（Andrew W. Beck）|约翰·H·奥芬伯格（John H. Offenberg）|简·C·贝尔（Jane C. Bare）

东方研究集团（Eastern Research Group, Inc.，简称ERG），地址：美国马萨诸塞州康科德市弗吉尼亚路561号4号楼300室，邮编01742

摘要

对流层臭氧被纳入生命周期影响评估中，因为它持续对人类健康、植被和基础设施构成威胁。当前的影响评估建模趋势包括增加空间分辨率，以更好地理解通常具有全球性质的产品生命周期中的影响差异。美国环境保护署（U.S. Environmental Protection Agency）的“减少化学和其他影响工具”（TRACI）此前提供了北美地区臭氧影响的全国平均特征化因子。本研究重点是通过基于城市原型在中点层面开发特征化因子来更新TRACI中的臭氧形成模型，这些特征化因子可以在生命周期评估中提供空间分辨率，并扩大全球覆盖范围。全州空气污染研究中心（Statewide Air Pollution Research Center，简称SAPRC）的箱模型用于计算为1008种挥发性有机化合物在219种城市地理原型中的最大增量反应性（Maximum Incremental Reactivity，简称MIR）。美国城市的MIR中值与之前的研究结果相差在25%以内。此外，还为世界各国推导出了汇总的特征化因子，以满足在国家级别上进行生命周期评估的需求。文中还包含了在解释臭氧形成影响数据时需要考虑的注意事项和要点，以强调在研究中纳入这一影响类别时必须保持谨慎。

引言

生命周期评估（Life Cycle Assessment，简称LCA）提供了一个全面的框架，用于评估产品或过程从原材料提取到处置过程中的化学和其他影响。在这个框架内，影响的评估依赖于描述物质释放对周围环境影响的模型。这些模型计算出的特征化因子（Characterization Factors，简称CFs）量化了物质在与人健康、生态系统和自然资源相关的保护区域内造成影响的潜力。影响可以在因果链的中点或终点进行建模。虽然CF的功能在各种影响方法中是通用的，但其建模方式可能会有所不同。CFs可以考虑大气条件、水文状况、生物圈、人口等方面的区域差异。长期以来人们已经认识到空间差异化CF的重要性（Potting和Hauschild，2006年）。对LCA CFs的更新（Bulle等人，2019年；Henderson等人，2021年；Huijbregts等人，2017年；Verones等人，2020年）强调了空间差异化CFs在提供更准确和特定情境的影响评估方面的必要性（Potting和Hauschild，2006年）。

大气污染物对臭氧（O₃）的影响一直是平流层和对流层的关注焦点。许多LCA方法都关注平流层臭氧的消耗问题（Bare，2011年；Bulle等人，2019年；Huijbregts等人，2017年），尽管已经取得了一些改进，但仍存在挑战（Chipperfield和Bekki，2024年）。与此同时，尽管美国许多城市的O₃前体（挥发性有机化合物（VOCs）和氮氧化物（NOx）有所减少，O₃浓度也有所下降（美国环保署，2020年；Venecek等人，2018年），但对流层臭氧（O₃）的形成仍对人类健康、植被和基础设施构成威胁。例如，在美国某些地区，超过10万人生活在未达到O₃健康标准的环境中（美国环保署，2024年）。从全球角度来看，O₃问题依然存在，某些地区的O₃浓度还在增加（Wang等人，2022年）。

VOCs包括所有参与光化学反应并有可能形成O₃的气相有机物。尽管VOCs的定义各不相同，但美国环保署将其定义为通常比乙烷更具反应性的物质（美国环保署，2024b年，2019年），并且它们形成O₃的潜力也各不相同（美国环保署，2024b年）。了解VOCs的主要来源及其对O₃形成的贡献是改善空气质量、减轻O₃问题的政策努力的关键组成部分。

在LCA中，O₃影响的评估采用了空间差异化和通用化方法。例如，ReCiPe（Huijbregts等人，2017年）、Impact World+（Bulle等人，2019年）和LC-Impact（Verones等人，2020年）使用了TM5-FASST这一简化形式的空气质量源-受体模型（Van Dingenen等人，2018年），该模型考虑了56个源区和受体区之间的排放特征和区域传输。TRACI 2.1（Bare，2011年）在夏季气象条件下考虑了39个美国城市的VOC反应性，从而得出代表这些城市的CF；然后将该CF作为默认的通用值。Impact World+（Bulle等人，2019年）也采用了通用CF，遵循国际生命周期数据系统（ILCD）手册（Margni等人，2008年）的建议。迄今为止，还没有LCA影响模型包含了针对全球众多城市的VOCs的CFs。

不同VOCs的O₃形成潜力可以通过增量反应性（Incremental Reactivity，简称IR）尺度来量化，这些尺度表示在给定大气和气象条件下，向背景气体和NO_x混合物中添加少量VOC所引起的O₃变化。在美国，全州空气污染研究中心（SAPRC）的模型（Carter，2009年）和反应性尺度已被广泛用于监管和研究目的（例如，Carter，1994年；美国环保署，2024c年；Venecek等人，2018年）。IR尺度很有用，因为它们为不同化合物提供了一个可比较的值，满足了政策上了解不同VOCs和NO_x如何对空气中的O₃产生贡献的需求。有多种IR尺度可供选择，如最大增量反应性（Maximum Incremental Reactivity，简称MIR）、等效效益增量反应性（Equal Benefit Incremental Reactivity，简称EBIR）和最大臭氧增量反应性（Maximum Ozone Incremental Reactivity，简称MOIR）。由于O₃是NO_x和VOC输入的函数（参见上述参考文献和补充信息1），这些尺度代表了以下情况：

●

O₃随VOC增加而增加的梯度最高，即O₃形成对VOC输入的敏感性最大（MIR），

●

O₃随VOC增加而增加的梯度与随NOx增加的梯度相等，即对VOC和NOx的敏感性相同（EBIR），

●

可以找到最大O₃浓度（MOIR）。

这些尺度描述了O₃等值线上的点，通过最大化斜率或相对于VOC或NO_x输入找到局部最大值来确定。这些尺度都不计算O₃浓度，SAPRC模型模拟的IR尺度也不旨在捕捉所有大气条件的方面。MIR尺度描述了在特定条件下，给定VOC的边际添加所能产生的O₃的最大潜力，也可以理解为O₃对VOC添加的敏感性。MIR尺度已被广泛用于反映在具有可用NO_x的城市环境中，各个VOC形成O₃的反应性（Carter，1994年）。MIR尺度在美国环保署的规则制定中得到应用（例如，美国环保署，2024c年），用于确定某些物质是否应归类为VOCs，并为排放提供背景信息（Simon等人，2010年），以及理解化学反应机制发展中的物种多样性（Pye等人，2023年）。最后，MIR尺度也曾用于TRACI模型（Bare，2011年；Bare等人，2003年）中的LCA。

对于LCA而言，尽可能估计多种VOC的O₃影响是至关重要的，因为LCA的目的是比较整个生命周期中的两种或更多产品或服务，其中可能会排放数千种物质。当LCA方法不包含某种化合物或混合物时，计算上相当于该化合物的CF值为零，该物质就不会计入影响得分。如果LCA从业者没有正确传达这一点，可能会误导决策者。SAPRC预测的MIR值可以涵盖大量化合物和混合物（Carter，2010年），因为SAPRC是基于大约2400次实验室实验针对110多种VOCs开发的。这使得早期版本的TRACI能够为大约1200种VOCs和VOC混合物提供CF覆盖。然而，这种增加的覆盖范围是有代价的，因为区域化和物质覆盖范围之间往往存在权衡（见表SI 1.1）。例如，虽然TM5-FASST适用于涉及较少物质的大规模评估，但在LCA中使用基于SAPRC的MIR可以更好地理解O₃的形成范围，因为它包含了更多的具体化合物。

燃烧排放的控制导致了主要VOC来源部门的变化，发达国家的VOC排放变得越来越富含氧（Karl等人，2018年；McDonald等人，2018年）。这种组成的变化影响了O₃的形成效率，如MIR所示，如今的排放物形成O₃的可能性低于1990年代（Venecek等人，2018年）。由于人为VOC排放的变化以及需要在考虑O₃形成驱动因素的空间差异的同时保持VOCs和VOC混合物的覆盖范围，因此需要更新LCA方法。

因此，本文：

1）

开发了一种全球范围内估算O₃形成潜力的原型方法，同时最大化物质覆盖范围，

2）

计算并比较了不同物质和城市原型之间的MIR值，

3）

将新方法计算的MIR值与之前研究（Venecek等人，2018年）中39个美国城市的MIR值进行比较，

4）

将城市MIR值汇总为国家和全球级别的特征化因子（Characterization Factors，简称CFs）。

部分摘录

化学模型

SAPRC的化学机制及相关模型基础设施（Carter，2010年，Carter，1994年）用于模拟导致O₃形成的VOCs和NOx的大气反应。本研究中使用的SAPRC箱模型代表了一个城市环境，具有可变的混合高度（白天从100米到超过1000米不等），这样高处的物质可以被吸入模型，但没有水平传输，所有排放都假设在

美国城市：与现有研究的比较

鉴于建模的化合物数量众多，我们将讨论限制在Venecek等人（2018年）具体指出的化合物上。完整的MIR值列表见支持信息（SI 11）。由于每个原型代表一个或多个城市区域，因此可以为全球每个城市位置确定一个原型，包括之前研究中使用的39个美国城市。图3.1显示了这39个城市中代表性化合物的MIR值分布

原型

SAPRC增量反应性尺度的最初应用之一是按O₃潜力对VOCs进行排名，并在给定流域内优先考虑减排策略。在该模型应用中，原型代表了一个流域；因此，在原型内比较人为VOC排放是该模型的适当用途。最初的（Carter，1994年）和更新的（Venecek等人，2018年）研究评估了39个美国城市的MIR分布，但并未重点关注

CRediT作者贡献声明

安德鲁·D·亨德森（Andrew D. Henderson）：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件开发、方法论研究、调查、数据分析、概念化。凯莉·C·巴桑蒂（Kelley C. Barsanti）：撰写——审阅与编辑、验证、资源获取、方法论研究、数据管理、概念化。哈瓦拉·O·T·派（Havala O.T. Pye）：撰写——审阅与编辑、可视化、方法论研究。大卫·E·迈耶（David E. Meyer）：撰写——审阅与编辑、项目监督、方法论研究、概念化。

免责声明

本文表达的观点仅代表作者个人观点，不一定代表美国环境保护署的观点或政策。提及商标名称或商业产品并不构成使用推荐。

资助

本项工作是在美国环保署（U.S. EPA）合同编号68HERC21D0003 任务订单编号68HERC21F0358的资助下，由东方研究集团（Eastern Research Group, Inc.，简称ERG）完成的。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

梅丽莎·维内塞克（Melissa Venecek，加州空气资源委员会）和威廉·卡特（William Carter，加州大学河滨分校）在理解SAPRC模型的结构及其应用方面提供了宝贵的帮助，并提供了用于与现有工作进行比较的数据集。

本工作的结果使用了哥白尼气候变化服务（Copernicus Climate Change Service）和哥白尼大气监测服务（Copernicus Atmosphere Monitoring Service）的信息。欧洲委员会（European Commission）和欧洲中期天气预报中心（ECMWF）不对任何可能的使用负责