台湾中部地区PM2.5化学特性与多种污染物健康风险的综合分析：对新冠疫情期间优化空气质量健康指数（AQHI）的启示

AQHI integrating PM2.5, O3, and NO2 better reflects pandemic-altered emission patterns and health risks in Taichung, with PAHs and WSIs showing distinct temporal variations linked to industrial/traffic activity shifts.摘要

　　

陈佩瑜|吴团宏|Shahzada Amani Room|徐元成|李彦清|潘世宇|萧达志|陈宇成|戚凯贤

摘要

传统的空气质量指数（AQI）系统往往无法充分反映多种污染物对健康的影响。空气质量健康指数（AQHI）通过整合PM_2.5、O₃和NO₂的日浓度来估计人群健康风险，从而解决了这一局限。本研究调查了2020年至2022年间台湾台中市PM_2.5的化学特性，重点关注工业区和交通区的多环芳烃（PAHs）和水溶性离子（WSIs）。在疫情限制期间，远程工作和在线学习增加了电力需求，同时水溶性离子的总浓度也升高，这主要是由于非海盐硫酸盐（nss-SO?^2?）的增加（工业区为11.8 ± 4.12 μg/m³）。相比之下，PAH浓度在封锁期间有所下降，但在疫情后的温暖季节出现了显著反弹，达到了疫情期间的两到三倍。来源分配分析表明，与交通相关的排放，尤其是柴油尾气，是环境PAH的主要来源。基于AQHI和门诊记录（2016–2022年；按疫情前、中、后阶段分层）的健康风险分析显示，高风险的AQHI水平（≥7）与呼吸系统和心血管疾病的发病率增加有关。滞后效应分析表明，PM_2.5和NO?具有急性和持续性的健康风险，而O?则表现出延迟的负相关关系。研究结果表明，在疫情改变的活动模式下，AQHI是一个更敏感的短期健康相关指标。这种综合方法为台湾采用AQHI进行风险沟通和保护脆弱人群提供了实证支持。

引言

人口快速增长、城市化进程加快以及工业活动的扩张是导致空气质量恶化的关键因素。随着交通需求的激增，全球空气污染问题日益严重，不仅对公共卫生构成威胁，也对气候变化缓解和可持续发展带来挑战。这些压力促使全球科学界和政策制定者将空气质量管理作为环境治理和研究的重点（Bai等人，2018年）。大量流行病学证据表明，空气污染与每日死亡率、急诊就诊次数和呼吸系统及心血管疾病的住院率有关（Linn等人，2000年；Xiao等人，2016年）。空气污染也被认为是导致过早死亡的主要环境风险因素之一（Bhatnagar，2006年）。根据世界卫生组织（WHO）的数据，每年约有七百万人因空气污染而过早死亡，相关疾病包括肺癌、心血管疾病、中风、急性呼吸道感染和慢性阻塞性肺病（WHO，2021年）。在低收入和中等收入国家，超过91%的人口生活在空气污染物水平超过WHO空气质量指南的城市中；即使在高收入国家，也有近一半的城市未能达到推荐的标准。COVID-19大流行提供了一个独特的“自然实验”，可以考察人类活动对空气质量的影响，因为封锁和出行限制大幅减少了交通和某些工业活动，导致多种污染物在短期内下降（Adam等人，2021年；Barua和Nath，2021年）。

传统的AQI仅使用单一污染物的日最大浓度进行构建，因此无法捕捉多种污染物之间的叠加或协同效应；因此，它可能低估了时间序列研究中常见的近线性、低阈值暴露-反应关系（Wang等人，2022年；Tang等人，2024年）。相比之下，空气质量健康指数（AQHI；Stieb等人，2008年）结合了PM_2.5、O₃和NO₂的日浓度，并使用从死亡率时间序列模型（例如，Poisson广义加性模型）估算的系数（β）来生成一个0–10+的健康参考尺度，该尺度与累积超额风险成正比。AQHI框架已在多个地区得到验证（To等人，2013年；Mason等人，2020年；Stieb等人，2008年）。因此，本研究采用AQHI来量化台湾中部地区的短期暴露-反应关系，以评估死亡率和发病率。

然而，台湾的相关实证研究仍然很少，特别是关于COVID-19大流行期间PM_2.5化学成分变化及其对AQHI相关健康风险影响的研究。特别是，即使在低浓度暴露条件下，多环芳烃（PAHs）和水溶性离子（WSIs）等有毒成分也可能对健康产生显著影响（Hassanvand等人，2015年）。

本研究聚焦于台湾中部的工业和交通枢纽——台中市，探讨了COVID-19大流行期间（2020–2022年）PM_2.5的化学成分变化，重点关注PAHs和WSIs的时间变化。为了进行健康风险评估，将台中市监测网络的污染物浓度与国家健康保险研究数据库（NHIRD）——特别是门诊和急诊护理索赔数据集（西医、中医和牙科）相结合，构建并应用AQHI进行短期多污染物风险估计以及呼吸系统和心血管结果的暴露-反应分析。通过将大气化学与流行病学建模相结合，这一跨学科框架阐明了不同疫情阶段排放源、化学成分和人群健康反应的变化，为台湾的疫情后空气质量管理和健康保护策略提供了政策相关的证据。

研究设计与数据来源

台中市是台湾第二大城市，人口约为280万，以密集的交通走廊和靠近主要固定排放源为特征，这些排放源包括燃煤发电、石化设施、金属制造和城市废物焚烧。该市的盆地地形和亚热带气候进一步加剧了在不利扩散条件下的污染物积累。

两个固定

不同COVID-19阶段固定排放物和环境空气污染物的变化

基于2.1研究设计与数据来源和2.2采样方法及质量控制中描述的数据集和采样方法，本研究分析了2020年至2022年间固定排放物和环境空气污染物的变化，涵盖的关键污染物包括PM_2.5、O?、SO?、NOx和烟囱不透明度。

在CEMS结果（图2；表S2）中，二级警报期间烟囱不透明度从12.1 ± 1.13%下降到11.1 ± 0.783%，表明燃煤发电厂的颗粒物排放减少

讨论

COVID-19大流行提供了一个独特的准自然实验，用于考察不同污染源的排放动态。结果表明，燃煤电厂的烟囱排放并未因经济活动的减少而均匀下降。相反，在三级警报期间，SO?和NOx浓度暂时增加，这与居家政策下居民部门的电力需求增加相吻合。

结论

本研究整合了多源空气质量监测、化学特性分析和流行病学分析，以考察COVID-19大流行对排放结构、PM?.?成分及相关健康风险的影响。基于2020年至2022年间季度PM?.?采样的化学成分分析显示，疫情前后污染源的贡献和污染物特征发生了显著变化。与燃煤电厂相关的排放

CRediT作者贡献声明

陈佩瑜：写作 – 审稿与编辑，原始草稿撰写，方法论，调查，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。吴团宏：写作 – 审稿与编辑，方法论，概念化。Shahzada Amani Room：写作 – 审稿与编辑，方法论，概念化。徐元成：写作 – 审稿与编辑，资源协调。李彦清：数据管理，概念化。潘世宇：写作 – 审稿与编辑，数据管理。萧达志：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了台湾国家科学技术委员会（NSTC 113-2111-M-A49-001）的支持。作者感谢所有参与现场采样、化学分析和流行病学数据处理的团队成员的贡献。我们也感谢编辑和匿名审稿人提供的建设性反馈，这些反馈显著增强了本文的最终版本。