行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
微粒空氣污染特性、毒性和健康風險之研究
研究成果報告(完整版)
計 畫 類 別 ： 個別型 計 畫 編 號 ： NSC 96-EPA-Z-002-002- 執 行 期 間 ： 96 年 03 月 01 日至 96 年 12 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣大學公共衛生學院職業醫學與工業衛生研究所 計 畫 主 持 人 ： 鄭尊仁 共 同 主 持 人 ： 李崇德、趙馨、蘇大成、郭育良 計畫參與人員： 碩士級-專任助理：方盈禎 博士班研究生-兼任助理：黃于芳、溫志雄、陳秉鈺、莊銘棟 碩士班研究生-兼任助理：陳伯鑫、李偉量、陳永盛 研究員：周崇光 處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 97 年 01 月 31 日
96 年度「環保署/國科會空污防制科研合作計畫」
成果完整報告
微粒空氣污染特性、毒性和健康風險之研究
計畫類別： 個別型計畫
計畫編號： NSC 96－EPA－Z－002－002
執行期間：
96 年 03 月 01 日至 96 年 12 月 31 日
計畫主持人： 鄭尊仁 教授
共同主持人： 李崇德 教授 、 趙馨 副教授、
蘇大成 醫師 、 郭育良 教授
計畫參與人員：
周崇光 中央研究院環境變遷研究中心
莊銘棟、溫志雄、陳永盛 中央大學環境工程研究所
方盈禎、陳伯鑫 台北醫學大學公共衛生學研究所
黃于芳、李偉量 臺灣大學職業醫學與工業衛生研究所
陳秉鈺 臺灣大學職業醫學與工業衛生研究所
執行單位：國立臺灣大學公共衛生學院職業醫學與工業衛生研究所
中 華 民 國 97 年 1 月 31
II 中文摘要 本研究計畫為「微粒空氣污染物特性、毒性和健康風險」兩年計畫之延續計畫。在 今年度計畫中，我們以環保署北部微粒超級測站為中心，進行微粒物理、化學、光學、 及生物特性監測，並探討微粒對呼吸道及心血管疾病的影響。 於2007 年度，發現非節慶日高濃度事件主因為大氣擴散不良、高壓迴流天氣型態 以及大陸沿岸污染物傳輸。節慶日在春節期間主要與交通活動頻繁造成污染物累積有 關，而黃沙事件污染主要以粗微粒(PM10-2.5)物質為主，個案顯示沙塵影響前期時常伴隨 著大陸沿岸污染物的傳輸造成污染加劇。 生物性微粒研究則是彙整2005−2007 年的結果發現，大台北地區大氣中生物性微粒 的主要組成成份相當穩定，主要優勢真菌為ascospores（子囊孢子）、basidiospores（擔 孢子）、Cladosporium（分枝孢子菌）及 Aspergillus/Penicillium（麴菌/青黴菌）。Cladosporium 過敏原及內毒素濃度在粗微粒中較高。真菌孢子、Cladosporium 過敏原及內毒素濃度與 多種氣象因子及大氣污染物間有顯著相關。 有關微粒空氣污染物在冠狀動脈心臟病或心血管高危險群病人上，發現會受到空氣 微粒及污染物的不良影響。在血栓因子方面，主要是凝血因子指標D-dimer 上升，而心 臟的不良效應在心律可變異性方面，則是頻率為主的非常低頻率、低頻、及低頻/高頻比 降低。 至於空氣污染對於呼吸道系統上之毒性及不良健康影響，問卷結果發現患有過敏性 呼吸道疾病之學童以男生居多、父母教育程度較高、蛋類攝取較多、牆壁有發霉情形、 有除濕設備、有地毯鋪設、有家族過敏史及室外微粒空氣污染暴露較高，另外發現父母 均無過敏體質時，室外之高PM10暴露與氣喘及過敏性鼻炎有相關；而校內呼吸道健檢，
發現患有氣喘的學童其FEV1、FVC、FEV1/FVC、FEF25-75%、PEF 等肺功能指標的表現
皆比健康對照族群來的差。 另外，動物的微粒毒理研究發現，暴露柴油引擎微粒可進一步降低患有心肌受損或 高血壓之左心室功能不全大鼠的左心室功能。暴露不同季節及粒徑的大氣微粒中，則是 發現春季之PM2.5明顯降低左心室功能不全大鼠的左心室功能。 由研究結果可知急性暴露懸浮微粒會對人體健康與動物產生不良影響，其中動物實 驗顯示細懸浮微粒（PM2.5）較粗懸浮微粒（PM2.5-10或PM10）似乎有更大的毒性，然而 目前資料對於細微粒的健康效應及毒性仍不清楚，建議須進一步研究急性和慢性暴露細 懸浮微粒之毒理及人體呼吸和心血管健康效應，以提供環保署制訂細懸浮微粒（PM2.5） 標準濃度之相關依據，另外加入個人暴露評估以瞭解環境資料與個人暴露間的相關性， 以作為健康風險訂定空氣品質管理政策之重要依據。 關鍵詞：超級測站，微粒空氣污染物，生物性微粒，心血管疾病，氣喘，易感受性，基 因多形性，風險評估
III
英文摘要
This is the second year of a two-year project entitled “Characteristic, toxicity and health risk study of ambient particulate matter.” We have monitored and analyzed PM data from Supersite to explore the physical, chemical, optical, and biological characteristics of PM. We also investigated the respiratory and cardiovascular effects of exposure to ambient PM.
The results showed non-festival aerosol events can be attributed mostly to poor atmospheric dispersion due to anticyclonic outflow and pollutant transport from the coastline of Asian Continent. In the Lunar New-Year’s festival, pollutant accumulation was related to busy traffic activity. Coarse particles were found to be predominant in the yellow-dust events. However, the industrial fine particles were observed in the leading dust flow when the dust was transported from Asian Continent.
According to 2005−2007 monitoring results, the major composition of ambient biological particulates is consistent in Taipei metropolis. The most prevalent fungi were ascospores, basidiospores, Cladosporium, and Aspergillus/Penicillium. Cladosporium allergen and endotoxin were detected in both coarse and fine particles, but had higher levels in coarse particles. Fungal spores, Cladosporium allergen and endotoxin levels had significant relationships with several meteorological factors and air pollutants.
For study on adverse cardiovascular effect of particles among population with cardiovascular disease, exposures to PM air pollution have significant adverse cardiovascular effects on blood markers of fibrin D-dimer and frequency-domain of HRV in cardiovascular susceptible patients.
For study of the effect of particulate air pollutants exposure and genetic polymorphism on atopic respiratory disease, the results of questionnaire showed that children with asthma and allergic rhinitis have significantly higher parental education level, more walls mold, higher ambient air pollution level, more dehumidifying device use, less carpet use, more parental atopy, and more egg diet than healthy children. We also found as the severity of atopic disease increase, the quality of life of children significantly decrease.
In animal study, we found that diesel exhausted particles may impair the left ventricular function in rats with myocardial-injury-induced or hypertension-induced LV dysfunction. Moreover, the results showed that the PM2.5 of spring ambient particles significantly
decreased the LV function of rats with existing LV dysfunction.
According to the results of project, we found that particulate matter has acute adverse health effects on human. It seemed that PM2.5 had greater toxicity than PM10-2.5 in animal
study. However, the underlying biological mechanism of PM is still unclear. We suggest that it is important to investigate the actue and chronic cardiopulmonary effects of fine particles. Further, individual exposure assessment for evaluating the association between environment exposure and health outcomes facilitates the risk assessment of PM and regulatory setting.
Keywords：Supersite, particulate air pollution, biological particulates, cardiovascular disease,
IV 目錄 中文摘要 ...II 英文摘要 ... III 目錄 ... IV 圖目錄 ... V 表目錄 ... VIII 第一章 前言 ... 1 第二章 各子計畫之研究方法與實驗結果 ... 2 2.1 子計畫一：環保署北部微粒超級測站監測特性彙整及評估 ... 2 2.1.1 研究目的 ... 2 2.1.2 文獻回顧 ... 2 2.1.3 執行方法 ... 8 2.1.4 年度主要工作內容及重要發現與成果 ... 22 2.1.5 致謝 ... 63 2.2 子計畫二：超級測站生物性微粒特性資料之彙整分析 ... 64 2.2.1 研究目的 ... 64 2.2.2 文獻回顧 ... 64 2.2.3 執行方法 ... 67 2.2.4 主要工作內容及重要發現與成果 ... 69 2.3 子計畫三：微粒空氣污染物人體心血管毒性研究 ... 90 2.3.1 研究目的 ... 90 2.3.2 文獻回顧 ... 90 2.3.3 研究方法 ... 90 2.3.4 主要工作內容及重要發現與成果 ... 91 2.4 子計畫四：微粒空氣污染動物心血管毒性 ... 98 2.4.1 研究目的 ... 98 2.4.2 文獻回顧 ... 98 2.4.3 執行方法 ... 102 2.4.4 年度主要工作內容及重要發現與成果 ... 105 2.5 子計畫五：微粒空氣污染物對基因易感受族群之呼吸道疾患影響研究 ... 114 2.5.1 研究目的 ... 114 2.5.2 文獻回顧 ... 114 2.5.3 研究方法 ... 118 2.5.4 年度主要工作內容及重要發現與成果 ... 121 第三章 整合成果及未來或後續執行建議 ... 128 第四章 成果自評 ... 132 第五章 文獻參考 ... 134
V 圖目錄 圖 1 研究團隊分工架構圖 ... 1 圖 2 理想大氣微粒的粒徑分布 (資料來源：US EPA) ... 3 圖 3 台北縣新莊運動位置 (資料來源：台北縣新莊運動公園) ... 9 圖 4 微粒超級測站監測地點與周遭環境 (資料來源：台北縣新莊運動公園) ... 9 圖 5 微粒質量濃度監測儀 R&P 1400 (資料來源：R&P CO., INC.) ... 10
圖 6 微粒碳成分監測儀 SUNSET 5040 (資料來源：SUNSET LABORATORY INC.,USA) ... 11
圖 7 微粒硝酸鹽成分監測儀 R&P 8400 N (資料來源：R&P CO., INC.) ... 12
圖 8 微粒硫酸鹽成分監測儀 R&P 8400 S (資料來源：R&P CO., INC.) ... 13
圖 9 微粒總多環芳香族碳氫化合物監測儀 PAS 2000 (資料來源：ECOCHEM COM.) ... 13
圖 10 微粒散光儀 (資料來源：TSI COM.) ... 14
圖 11 微粒吸光儀 AE‐31 (資料來源：MAGEE SCIENTIFIC COM.) ... 15
圖 12 微粒數目粒徑分布監測儀 PMS (資料來源：超級測站監測報告 91 年年報) ... 15 圖 13 (A) DMA (B) CPC (資料來源：TSI COM.) ... 16 圖 14 臺灣主要受影響區域 (資料來源：東亞沙塵暴與背景測站懸浮微粒特徵研究) ... 19 圖 15 2005 年 3 月 16 日微粒背向散射係數的時間及高度分布，圖中垂直虛線分別位於 時間軸的 9:00 及 13:30，這兩個時間的資料分析如圖 16。 ... 20 圖 16 (A) 2005 年 3 月 16 日 9:00 及 13:30 微粒背向散射係數的高度分布。 (B) 2005 年 3 月 16 日 9:00 及 13:30 微粒背向散射訊號強度對高度微分量的高度分布。 ... 20 圖 17 2007 年 1～12 月份新莊超級測站 PM2.5日平均濃度變化 ... 24 圖 18 2007 年 2 月 10、13 日前後大氣混合層高度(上圖)，以及粗細徑微粒質量濃度與風 速(下圖)的逐時變化 ( 為事件日) ... 27 圖 19 2007 年 2 月 10、13 日前後微粒總多環芳香烴(PAH)、有機碳(OC)、元素碳(EC)濃 度逐時變化 ( 為事件日)... 28 圖 20 2007 年 3 月 26 日前後微粒總多環芳香烴(PAH)、有機碳(OC)、元素碳(EC)濃度逐 時變化 ( 為事件日) ... 30 圖 21 2007 年 9 月 14 日高濃度事件環保署北部測站(萬里、淡水、新莊超級測站、新莊、 菜寮、板橋、古亭) PM2.5質量濃度逐時變化 ( 為事件日) ... 31 圖 22 2007 年 9 月 13 日 8 時地面天氣圖 ... 33 圖 23 2007 年 9 月 14 日 8 時地面天氣圖 ... 34 圖 24 2007 年 9 月 15 日 8 時地面天氣圖 ... 34 圖 25 2007 年 9 月 14 日前後微粒總多環芳香烴(PAH)、有機碳(OC)、元素碳(EC)及臭氧濃 度逐時變化 ( 為事件日;臭氧濃度為新莊、板橋、菜寮三站平均) ... 35 圖 26 2007 年 9 月 14 日前後粗細粒徑微粒質量濃度與風速的逐時變化 ( 為事件日) 35 圖 27 2007 年 9 月 14 日 PM2.5質量濃度與混合層高度逐時變化 ( 為事件日) ... 36 圖 28 2007 年 9 月 14 日前後硝酸鹽*10(NITRATE)與硫酸鹽(SULFATE)及臭氧濃度逐時變化 ( 為事件日;臭氧濃度為新莊、板橋、菜寮三站平均) ... 36 圖 29 2007 年 9 月 14 日前後大氣微粒背向散射訊號強度的時間及高度分佈 ... 37 圖 30 2007 年 12 月 12 日前後粗細粒徑微粒質量濃度與風速的逐時變化 ( 為事件日) ... 40 圖 31 2007 年 12 月 12 日前後微粒總多環芳香烴(PAH)、有機碳(OC)、元素碳(EC)濃度逐
VI
時變化 ( 為事件日) ... 40
圖 32 2007 年 12 月 12 日前後硝酸鹽(NITRATE)、硫酸鹽(SULFATE)、有機碳(OC)及臭氧濃度 逐時變化 ( 為事件日) ... 41
圖 33 2007 年 2 月 17 日除夕日硝酸鹽(NITRATE)與硫酸鹽(SULFATE)濃度逐時變化 ( 為事件 日) ... 44
圖 34 2007 年 4 月 5 日清明節 PM2.5濃度與降雨量逐時變化 ( 為事件日)... 44
圖 35 2007 年 9 月 25 日中秋節 PM2.5濃度、降雨量與風速逐時變化 ( 為事件日) ... 45
圖 36 2007 年 1 月 28 日第一波沙塵期間環保署北部測站(YANG‐MING:陽明，HSIN‐CHUANG: 新莊，PAN‐CHIAO:板橋，WAN‐LI:萬里，KEE‐LUNG:基隆)粗細微粒質量濃度變化( 為沙 塵到達日)。 ... 47 圖 37 2007 年 1 月 28 日第一波沙塵期間超級測站粗(PM10‐2.5)細(PM2.5)微粒質量濃度逐時 變化趨勢( 為沙塵到達日)。 ... 49 圖 38 2007 年 1 月 28 日第一波沙塵期間超級測站 PM2.5硝酸鹽(NITRATE)與硫酸鹽(SULFATE) 逐時變化趨勢( 為沙塵到達日)。 ... 49 圖 39 2007 年 1 月 26‐29 日光達測得的微粒散光訊號強度及消偏振率高度分布與逐時變 化 ... 50 圖 40 2007 年 4 月 2 日第二波沙塵期間超級測站粗(PM10‐2.5)細(PM2.5)微粒質量濃度逐時 變化趨勢( 為沙塵到達日)。 ... 52
圖 41 2007 年 4 月 2 日第二波沙塵期間環保署北部空品站(YANG‐MING:陽明，HSIN‐CHUANG: 新莊，PAN‐CHIAO:板橋，WAN‐LI:萬里，KEE‐LUNG:基隆)粗細微粒質量濃度變化( 為沙 塵到達日) ... 53
圖 42 2007 年 4 月 17 日第三波沙塵期間環保署北部空品站(YANG‐MING:陽明，HSIN‐CHUANG: 新莊，PAN‐CHIAO:板橋，WAN‐LI:萬里，KEE‐LUNG:基隆)粗細微粒質量濃度變化( 為沙 塵到達日) ... 56 圖 43 2007 年 4 月 17 日第三波沙塵期間微粒消偏振率的高度分布 ... 57 圖 44 2007 年 4 月 17 日第三波沙塵期間超級測站粗(PM10‐2.5)細(PM2.5)微粒質量濃度逐 時變化趨勢，( 為沙塵到達日)。 ... 58 圖 45 2007 年 4 月 17 日第三波沙塵期間超級測站 PM2.5硝酸鹽(NITRATE)與硫酸鹽(SULFATE) 逐時變化趨勢，( 為沙塵到達日)。 ... 58 圖 46 2007 年 4 月 17 日第三波沙塵期間超級測站風速(WS)風向(WD)逐時變化趨勢，( 為沙塵到達日)。 ... 59 圖 47 2007 年 12 月 30 日第四波沙塵期間超級測站風速(WS)風向(WD)逐時變化趨勢， ( 為沙塵到達日)。 ... 61 圖 48 2007 年 12 月 30 日第四波沙塵期間超級測站粗(PM10‐2.5)細(PM2.5)微粒質量濃度逐 時變化趨勢，( 為沙塵到達日)。 ... 61
圖 49 2007 年 12 月 30 日第四波沙塵期間環保署北部空品站(YANG‐MING:陽明， HSIN‐CHUANG:新莊，PAN‐CHIAO:板橋，WAN‐LI:萬里，KEE‐LUNG:基隆)粗細微粒質量濃度 變化( 為沙塵到達日) ... 62 圖 50 2007 年 12 月 30 日第四波沙塵期間超級測站 PM2.5硝酸鹽(NITRATE)與硫酸鹽 (SULFATE) 逐時變化趨勢，( 為沙塵到達日)。 ... 63 圖 51 2007 年 1‐4 月總真菌孢子濃度變化 ... 70 圖 52 2007 年總真菌孢子濃度分佈 ... 73 圖 53 2007 年 ASCOSPORES濃度分佈 ... 73
VII 圖 54 2007 年 BASIDIOSPORES濃度分佈 ... 74 圖 55 2007 年 CLADOSPORIUM濃度分佈 ... 74 圖 56 2007 年 ASPERGILLUS/PENICILLIUM濃度分佈 ... 75 圖 57 粗微粒 CLADOSPORIUM濃度之季節分佈 ... 78 圖 58 細微粒 CLADOSPORIUM濃度之季節分佈 ... 78 圖 59 粗微粒內毒素濃度之季節分佈 ... 79 圖 60 細微粒內毒素濃度之季節分佈 ... 79 圖 61 大氣微粒對於左心室受損大鼠之左心室功能影響支架構圖 ... 104 圖 62 柴油引擎微粒對於自發性高血壓鼠之左心室功能影響之實驗架構圖 ... 105 圖 63 健康及左心室受損大鼠於暴露生理食鹽水及柴油引擎微粒前後之(A)左心室短縮 分率(FS)及(B)左心室舒張其內徑（LVDD）之變化。 (*P=0.01; #P=0.03;**P=0.003) 106 圖 64 心肌受損發展成左心室功能不全大鼠暴露於生理食鹽水、9‐11 月秋季 PM2.5及 PM10‐2.5後之(A)左心室短縮分率(FS)及(B)左心室舒張其內徑（LVDD）之變化。 ... 108 圖 65 心肌受損發展成左心室功能不全大鼠暴露於生理食鹽水、2‐4 月春季 PM2.5及 PM10‐2.5後之(A)左心室短縮分率(FS)及(B)左心室舒張其內徑（LVDD）之變化。(*P=0.01) ... 108 圖 66 左心室受損大屬暴露於生理食鹽水及不同季節、不同粒徑微粒前後之（A）左心 室短縮分率（FS）及(B)左心室舒張其內徑（LVDD）。 ... 109 圖 67 研究期間控制組（CON）與實驗組（ISO）之死亡率。A：第一次施打 ISOPROTERENOL 24 小時候。B：第二次施打ISOPROTERENOL 24 小時候，C：實驗期間。D：實驗結束時 心臟超音波之測量。 ... 110 圖 68 於施打ISOPROTERENOL後第三週及第六週後，其控制組及實驗組之 ... 111 圖 69 排除因麻醉而死亡的原因，其對照組及實驗組的存活率。A：暴露前，B：第二次 IT 後一天，C：第二次 IT 後五天，D：第二次 IT 後八天。 ... 112 圖 70 對照組及實驗組在暴露前後之 FS。（*P<.05 與實驗組暴露前比較） ... 112 圖 71 對照組及實驗組於暴露前後之 LVDD。（*P=0.052 暴露組與 IT 前比較） ... 113
VIII 表目錄 表 1 2007 年新莊地區月平均溫度、相對濕度、壓力和風速... 24 表 2 2007 年 2 月 10、13 日高濃度事件監測資料及天氣型態彙整 ... 26 表 3 2007 年 3 月 26 日高濃度事件監測資料及天氣型態彙整 ... 29 表 4 2007 年 9 月 14 日高濃度事件北部各測站監測相關數值 ... 33 表 5 2007 年 12 月 12 日高濃度事件監測資料及天氣型態彙整 ... 39 表 6 2007 年春節期間除夕當日監測資料彙整... 43 表 7 2007 年 1 月 28 日第一波沙塵北部各測站監測相關數值 ... 48 表 8 2007 年 4 月 2 日第二波沙塵北部各測站監測相關數值 ... 51 表 9 2007 年 4 月 17 日第三波沙塵北部各測站監測相關數值 ... 55 表 10 2007 年 12 月 30 日第四波沙塵北部各測站監測相關數值 ... 60 表 11 2007 年真菌孢子採樣日期 ... 70 表 12 2007 年真菌孢子出現頻率及濃度分佈1 ... 71 表 13 2007 真菌過敏原及內毒素密集採樣日期 ... 77 表 14 2006 年 7 月至 2007 年 11 月真菌過敏原及細菌內毒素濃度分佈 ... 77 表 15 2005‐2007 新莊測站氣象因子和大氣污染物分佈比較 ... 82 表 16 真菌孢子與環境因子間之相關性 ... 83 表 17 總真菌孢子及常見真菌在各風向之分佈 ... 86 表 18 總真菌孢子多變項迴歸模式 ... 87 表 19 ASCOSPORES多變項迴歸模式 ... 87 表 20 BASIDIOSPORES多變項迴歸模式 ... 87 表 21 CLADOSPORIUM多變項迴歸模式 ... 87 表 22 ASPERGILLUS/PENICILLIUM多變項迴歸模式 ... 88 表 23 真菌過敏原和內毒素與環境因子間之相關性 ... 88 表 24 真菌過敏原和內毒素在各風向之分佈 ... 89 表 25 CHARACTERISTICS OF THE 61 STUDY SUBJECTS WITH HISTORY OF DISEASES ... 92
表 26 AIR POLLUTION LEVELS AND WEATHER CONDITIONS AT 1 TO 3 DAYS BEFORE MEASURING HEART RATE VARIABILITY AND COLLECTING BLOOD SAMPLES AMONG 61 STUDY SUBJECTS ... 93
表 27 PERCENTAGE CHANGES IN INFLAMMATORY, FIBRINOLYTIC, AND COAGULATION FACTORS FOR AN INTERQUARTILE RANGE CHANGE OF AIR POLLUTION LEVELS IN MIXED‐EFFECTS MODELS ... 94
表 28 PERCENTAGE CHANGES IN INFLAMMATORY, FIBRINOLYTIC, AND COAGULATION FACTORS FOR AN INTERQUARTILE RANGE CHANGE OF AIR POLLUTION LEVELS IN MIXED‐EFFECTS MODELS ... 95 表 29 PERCENTAGE CHANGES IN HEART RATE VARIABILITY INDICES FIR AN INTERQUARTILE RANGE CHANGE OF AIR POLLUTION LEVELS IN MIXED‐EFFECTS MODELS ... 96 表 30 左心室受損大屬暴露於生理食鹽水及不同季節、不同粒徑微粒前後之左心室短縮 分率（FS）及左心室舒張其內徑（LVDD）。 ... 107 表 31 實施打ISOPROTERNOL及生理食鹽水後 6 週於對照組（CON）及實驗組（ISO）之心 臟超音波各參數值。 ... 110 表 32 問卷調查階段研究族群之基本個人因素、飲食、居家環境、香菸暴露及家族過敏 史分佈情形 ... 124 表 33 室外空污暴露及家族過敏史與學童氣喘之相關性分析 ... 125
IX 表 34 過敏性疾病嚴重度與學童生活品質之相關性 ... 126 表 35 呼吸道健檢階段研究對象之 BMI 及肺功能分佈情形（1ST‐ 3RD DATA） ... 127 表 36 呼吸道健檢階段研究對象鼻腔發炎反應相關細胞激素分佈情形（1ST‐ 2ND DATA PILOT ANALYSIS） ... 127
1 第一章 前言 微粒空氣污染物與人體健康，多年以來一直為公共衛生之重要議題。大氣中的微粒 物質對於環境以及人體健康的衝擊甚為重大，在環境的影響層面包含酸性或毒性物質的 沉降、能見度的降低並影響太陽對地球輻射作用力與雲凝結核的形成等造成氣候的改 變。到目前為止，流行病學研究已顯示大氣懸浮微粒與心血管及呼吸道疾病有關，微粒 成分與人體心肺疾病的研究也持續不斷在進行中，但實際上一般健康族群並不容易受影 響，而本身有呼吸道、心血管疾病者或是老年人則被認為是微粒空氣污染物的易感受族 群。患有心血管疾病的病人，特別是罹患有糖尿病、粥狀動脈硬化、心律不整、腦血管 疾病及血栓性栓塞疾病、以及心臟衰竭之病人，以及患有呼吸道疾病的病人，特別是氣 喘，慢性阻塞性肺疾病等易受到空氣中的微粒影響，而有較高的危險性（Dockery, 1993; Burnett, 1999; Samet, 2000;Englert, 2004）。由於心血管疾病的普及，微粒空氣污染對於 心血管疾病死亡率的貢獻可能遠大於呼吸道疾病，因此近年來微粒空氣污染物易感受族 群相關的議題備受重視。許多研究結果雖然證實了台灣地區空氣污染與心肺疾病住院率 有顯著相的關性，然而導致人體不良健康效應的主要空氣污染物、成分、以及其劑量效 應仍有待進一步釐清。圖1 為本研究計畫整體分工及合作的架構，整個研究計畫以鄭尊 仁教授為計畫總主持人，綜合協調微粒特性、微粒毒理。微粒特性部分以李崇德教授進 行微粒超級測站微粒監測物理及化學特性，並由趙馨副教授負責進行微粒生物特性。微 粒毒理由鄭尊仁教授進行心血管動物毒性試驗、蘇大成醫師進行人體心血管毒性研究毒 理、郭育良教授進行呼吸疾病之基因毒理研究。主要工作內容包含有： 1. 環保署北部微粒超級測站監測特性彙整及評估 2. 超級測站生物性微粒特性資料之彙整分析 3. 微粒空氣污染物人體心血管毒性研究 4. 微粒空氣污染物動物心血管毒性研究 5. 微粒空氣污染物對基因易感受族群之呼吸道疾患影響研究 圖 1 研究團隊分工架構圖
2 第二章 各子計畫之研究方法與實驗結果 2.1 子計畫一：環保署北部微粒超級測站監測特性彙整及評估 2.1.1 研究目的 大氣中的微粒物質對於環境以及人體健康的衝擊甚為重大，在環境的影響層面包含 酸性或毒性物質的沉降、能見度的降低並影響太陽對地球輻射作用力與雲凝結核的形成 等造成氣候的改變；在人體健康的影響方面，由許多流行病學的調查顯示，致死率的增 加與微粒物質有一定的關係，尤其細微粒物質容易進入人體呼吸系統中，引發發炎或氣 喘與呼吸系統疾病的增加，對於人體健康的影響重大。因此本計畫配合新莊微粒超級測 站對於微粒濃度與化學成份的監測進行事件探討，以評估其對健康與環境效應的影響。 藉由北部微粒超級測站的監測數據，分別對於黃沙時期、節慶日與微粒高濃度事件 日的微粒特性進行探討，所需探討的目標項目分列如下： (1) 彙整大陸沙塵傳輸資訊提供人體健康評估、動物心血管毒性、基因易感受族群呼吸 道疾患、生物微粒研究參考。 (2) 彙整及分析高濃度空氣污染事件、節慶日、黃沙時期微粒監測特性變化。 (3) 密集觀測大氣混合層高度的逐時變化，並彙整大氣混合層及超級測站的監測資料， 分析混合層淺化過程中大氣微粒物理及化學特徵的演化。 2.1.2 文獻回顧 2.1.2.1 懸浮微粒特性 微粒是指在氣體介質中存在的粒狀污染物，這些粒狀物是以固體或液體的型態存在 於空氣中，依照微粒產生機制的不同，可分為一次(primary)與二次(secondary)微粒兩種， 一次微粒的粒徑分布範圍較廣，主要來源為機動車輛排放、海水飛沫、火山灰、街道揚 塵或是工廠所排放的飛灰、煙塵等。大部分都市的一次微粒常在上下班時間累積，當地 表溫度增加與垂直混合發生時隨之下降(Watson et al., 2002)，二次微粒是由大氣中的化 學反應所生成。根據在西歐海邊所做的研究顯示，PM2.5-10的濃度主要受自然來源影響， 有47%為海洋和20%為塵土微粒貢獻，PM2.5雖然也受自然來源影響，如海水飛沫和沙塵 (25%)，但主要是來自於人為污染源影響，有25%來自光化學反應的二次微粒和22%來自 汽機車排放(Almeida et al., 2005)。 微粒化學成分通常包含無機水溶性離子、金屬化合物、元素碳、有機化合物、以及 地殼元素的化合物等，部份氣膠具有吸濕性質並包含與微粒結合的水份，而氣膠中的有 機成分通常非常複雜，包含數百種有機化合物(Seinfeld et al., 1998)。 2.1.2.1.1 懸浮微粒粒徑分布 微粒粒徑分布的模態(mode)可分成兩種如圖2(US EPA, 1999)： (1)細粒形態(Fine Mode)，通常粒徑介於1 μm以下的微粒，包含累積態與成核態，由氣體 反應或燃燒排放所形成。 (2)粗粒形態(Coarse Mode)，通常粒徑介於1 μm 以上的微粒，由物理作用如海水水珠蒸 發或是粗粒徑切磨所產生。 在細粒形態的微粒還可細分成累積態和成核態： (1)成核態(Nuclei Mode)，這個粒徑範圍微粒通常指粒徑小於0.1 μm，也有稱為超細微粒 (ultrafine particles)，是經由光化學氣體反應成核作用所剛形成的新微粒，或是由燃燒引 擎直接排放的奈米微粒聚合體。
3 (2)累積態(Accumulation Mode)，這是經由成核態水珠微粒的碰撞或是凝結(低平衡蒸汽 壓的氣體分子凝結於微粒上)作用，形成的微粒，粒徑介於0.1 μm和1 μm之間。 微粒的粒徑分布各季稍有不同，秋、夏兩季呈現三尖峰型態，春季則多為雙峰型的 分布。在微粒化學物種粒徑分布方面，元素碳(EC)主要分布於粒徑小於 1.8 μm 的細微粒 中，而有機碳(OC)則廣泛的分布於各粒徑範圍內。另一方面，微粒粒徑分布也會影響大 氣的消光係數，在日本千葉市發現消光係數範圍從4-12 m2 g-1，而影響消光係數大小則 與粗細微粒粒徑分布有關(Lagrosas et al., 2005)。 在Fresno Supersite利用SMPS和LAS測到冬季平均粒徑大小分布。其分布幾乎成對數常態 分布。微粒的小時平均數量範圍在2700-89000 cm-3之間，濃度值為22000 cm-3，其mean diameter (MD)範圍在0.021-0.109 μm之間，而整體MD為0.066 μm (Watson et al., 2002)。
圖 2 理想大氣微粒的粒徑分布 (資料來源：US EPA)
2.1.2.1.2 懸浮微粒光學特性
大氣中微粒的化學成分和粒徑分布會影響光的傳輸(Malm et al., 2000; Ten Brink et al., 1997)，在化學成份方面，微粒中的半揮發性有機化合物(SVOC)認為會影響散光係 數，進而造成能見度的下降(Eatough et al., 1996)；在微粒粒徑分布方面，90%的消光是 由細粒徑的微粒所造成的，只有10%是由粗粒徑所貢獻(White et al., 1990; Ten Brink et al, 1997; Molnar et al., 2001)。另一方面，微粒的凝結水也會影響大氣輻射傳輸，當微粒吸 濕或者揮發水份時，微粒的大小和密度也會跟著改變，進而影響微粒的光學性質(折射 係數、散射橫斷面和散光係數)(Day et al., 2000)，造成對環境的影響。 對於環境衝擊而言，在區域能見度及大氣輻射的議題上尤其受到重視，前者因台灣 地區旅遊業相當興盛而顯得相當重要；後者更因為微粒藉著對太陽光的散射及吸收，而 改變地球接收太陽輻射的情況，造成全球氣候變遷。 Malm et al.(2005)指出大氣散光和吸光特性與微粒在大氣相對濕度(RH)環境底下所
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吸收的水分有很大的關係，當有機碳質量(OMC/(NH4)2SO4)比率從 0.57 增加至 11.15 時，
某一相對溼度底下的散光係數(bscat(RH))除以最低相對溼度底下的散光係數(bscat(RHmin))
會從大約2.0 下降至小於 1.2。 Fialho et al.(2005)於亞速爾群島(Azores)觀測微粒吸光係數，吸光係數在此地區主要 受BC和沙塵影響，於觀測期間發現在後段，吸光係數和CO並無關係存在，可能原因為 影響吸光係數並非燃燒來源，主要是受到非洲沙塵影響所致，因此使用文獻資料，BC 的吸光係數指數為-1.0±0.1，而沙塵的吸光係數指數為-2.9±0.2，並利用此兩數值追溯BC 和CO的吸光係數，預期的BC吸光係數和CO有關係存在，因此可將沙塵貢獻的吸光係數 計算出來。 2.1.2.1.3 懸浮微粒化學組成成分 一般大氣微粒中包含無機離子、金屬化合物、元素碳、有機化合物、以及地殼元素 的化合物。在北京PM2.5微粒質量中，平均含有69%的碳成分和主要離子成分(硫酸鹽、 硝酸鹽和銨) (Zheng et al., 2005)。 2.1.2.1.3.1 懸浮微粒硫酸鹽成分 在硫酸鹽方面，除了H2SO4(g)會和海鹽產生氯損失反應後生成硫酸鹽之外，另外也
會和塵土微粒中的CaCO3產生反應而生成粗微粒的硫酸鹽(Zhung et al., 1999)。
H2SO4+2NaCl(sea salt)→Na2SO4(sea salt)+HCl
許多學者的研究顯示空氣中的硫酸氣會和塵土微粒產生反應而生成非海鹽硫酸鹽 (Pakkanen et al., 1996)；人類活動所形成的非海鹽硫酸鹽氣膠會和太陽及陸地的輻射產生 相互作用而影響氣候，而且會經由成核的程序改變雲霧顆粒的粒徑分佈而間接影響氣候 型態。 Xie et al.(2005)於2000年4月沙塵影響期間選定北京三個地點進行採樣，比較沙塵前 後和沙塵期間及霾害影響時的濃度變化。沙塵期間大氣中的氣膠不但包含粗粒徑的微 粒，同時也包含細粒徑的微粒。沙塵時PM2.5的平均濃度約為霾害期間的4倍左右。而在 PM2.5的組成分析上，地殼元素為PM2.5的主要成分，其次為有機物;霾害期間PM2.5的主要 成分為硫酸鹽、硝酸鹽和有機物。 2.1.2.1.3.2 懸浮微粒硝酸鹽成分 在硝酸鹽方面，硝酸除了和海鹽產生反應而造成氯損失外，還會跟塵土(CaCO3)反應生 成粗微粒的硫酸鹽和硝酸鹽(Zhung et al., 1999)。
HNO3+NaCl(sea salt)→NaNO3(sea salt)+HCl2HNO3+CaCO3→Ca(NO3)2+H2O+CO2
在San Joaquin Valley (SJV)會因為不同地區而有不同的氮轉硝酸鹽比率，這個比率可以 從0%到達 70%，較靠近 NO 排放源的地區轉換率較低。在 SJV 地區最大的硝酸鹽汙染 源為柴油引擎和汽油催化裝置，這兩個來源貢獻了SJV 一半的硝酸鹽。利用擾動學發 現，不論在都市或者郊區，減少硝酸銨最有效的方法是控制硝酸鹽，而非控制 VOC(Kleeman et al., 2005)。 2.1.2.1.3.3 懸浮微粒碳成分 碳成分主要來自燃燒程序所產生，而在交通污染源中，汽機車所排放出的廢氣即含 有大量的碳成分，通常含碳化合物可以分為總碳化合物(Total Carbon, TC)、有機碳化合 物(Organic Carbon, OC)和元素碳化合物(Elemental Carbon, EC)。
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碳元素微粒是都市及工業都會區的細粒徑微粒主要化學成分，碳元素微粒從許多污 染源所排放，包含汽機車、燃料燃燒及工業程序。在高度污染的大氣中，含碳類的微粒 物質佔細粒徑微粒質量濃度的20-50% (Gray et al., 1986; Chow et al., 1993; Rogge et al., 1993)。 氣膠成份有時會隨著季節而有所變異，在印度第五大城市Hyderabad的研究顯示， BC濃度會隨季節而變化，並在印度乾季發生最高值，雨季發生最低值。平均來說BC約 佔總氣膠質量濃度的15% (Latha et al., 2005)。 Zheng et al.(2005)於2000年北京毎一季節選擇一個月進行6天人工採樣，在1月份OC 佔PM2.5(57％) 最高，而最低則是在4月(21％)，可以發現碳成分在北京地區有明顯的季 節性變化。碳成分是PM2.5中主要的物種，冬天OC佔PM2.5的57％。PM2.5中OC成分主要 來源為汽機車排放廢氣、生質氣膠、燃料燃燒、沙塵、植物和香煙。冬天1月和10月， 燃燒燃料和生質氣膠為PM2.5中OC的主要來源，分別佔30％和50％。 2.1.2.1.3.4 懸浮微粒金屬元素 研究指出地殼及地表砂石中含有大量的Fe及Mg元素，並且發現大氣中人為排放的 Pb及Zn量遠超過自然界的排放(Wedepohl, 1987)。 在瑞士相關研究發現，在接近道路的測站有明顯較高的Ba、Ca、Ce、Cu、Fe、La、 Mo、Mn、Pb、Sb & Rh，因此推測交通排放為這些物種的來源(Hueglin et al., 2005)。
2.1.2.2 大氣混合層光達量測 大氣混合層是指對流層最底部受到地表熱力作用而進行縱向對流運動的氣層，此一 垂直對流層的作用使得地表排放的空氣污染物得以在混合層中擴散並被稀釋，在理想條 件下這些物質最終會與空氣達到均勻混合的狀態。混合層的高度是影響污染物濃度的主 因，其會造成擴散空間不足而使污染物濃度增加，空氣品質也因而惡化。因此，若是以 混合層高度作為大氣對污染物擴散攜式潛勢的指標，這個指標在實質上正是排放總量管 制與空氣品質管理之間最重要的接合點。 隨著雷射技術日趨成熟，應用光達探測大氣結構的研究也逐漸普及，早期的光達多 半應用在對流層頂或是平流層的研究上，近年在逐步克服訊號處理的問題之後已經能夠 應用在混合層，甚至更接近地表的逆溫層的研究上(Boers, et al., 1986; Piironen et al., 1995)。 2.1.2.3 台灣黃沙時期微粒特性 沙塵暴是指強風將地面沙塵捲起，使空氣中漂浮大量的微粒，並會使得地面能見度 低於1 km。近年來由於中國大陸土地沙漠化，使得大陸沙塵暴的發生機率大增。 在北京地區，PM2.5主要來源為沙塵(20%)、二次硫酸鹽(17%)、二次硝酸鹽(10%)、 煤炭燃燒(7%)、燃料及汽油排放(7%)、二次銨(6%)、生質微粒(6%)、香菸(1%)和因植物 生長產生之岩石碎屑(1%) (Zheng et al., 2005)。 2.1.2.3.1 大陸沙塵暴的發生與影響 沙塵暴發生的條件為地表土質鬆軟、乾燥、無植被或草木生長，加上無積雪覆蓋， 配合強烈的地面風、垂直不穩定的氣流及無降雨或降水等氣象條件。 沙塵暴發生後，顆粒較大的粒子隨即沉降至原地或鄰近地區，顆粒較小的粒子則可 以向上傳送到1000-3000 m 的高空，再藉由冷氣團的氣流將微粒傳送至東邊的韓國、日 本，甚至到達更遠的美國西岸，或者傳送至東南邊的台灣等地區(Chung et al, 1996)。
6 2.1.2.3.2 大陸沙塵暴影響台灣時之微粒特性 大陸沙塵暴影響台灣時，微粒質量濃度明顯上升，尤其是粗微粒部份，另外其也會降低 能見度。沙塵微粒成分主要為地殼元素，如：Si、Ca、Al、Fe、S、Na、Cl 和 Mg。加 上沙塵傳輸過程中如果經過大陸沿岸工業區，則微粒便會吸收SO2，增加了微粒內S 的 含量。許多學者的研究指出空氣中的硫酸氣會和塵土微粒產生反應而生成非海鹽硫酸 鹽。當微粒吸收SO2後經過海洋時，會再與海鹽產生氯離子損失生成硫酸鹽使得nss-SO4 2-(non-sea-salt sulfate)濃度上升。這些化學反應式如下： SO2+H2OÆH2SO3 H2SO3+2NaClÆNa2SO3+2HCl Na2SO3+1/2 O2ÆNa2SO4 在發生沙塵暴期間，硫酸鹽和硝酸鹽微粒的質量濃度有很明顯的增加現象；並且二次微 粒的濃度也有增高的趨勢，其原因應該是因為沙塵暴微粒的表面可以提供SO2和NOx 在長程傳輸時沉降和反應位置。
Zhung et al. (1999)指出 H2SO4會與塵土微粒中的CaCO3產生粗微粒的硫酸鹽和硝酸
鹽。其化學反應式如下：
H2SO4+CaCO3ÆCaSO4+H2O+CO2
HNO3+CaCO3ÆCa(NO3)2+H2O+CO2 2.1.2.4 微粒對人體健康影響之研究
微粒對人體健康的影響(Harrison et al., 2000; Kennedy et al., 2002)，可以從許多流行 病學的調查結果看出，尤其是微粒氣動直徑小於 2.5 μm 與人體健康有相當大的關連性 (Wilson et al., 1996)。長期暴露在 PM2.5環境下會造成心肺疾病、肺癌以及增加死亡率
(Pope et al., 1995, 2002; Dockery et al., 1993)。
另外，人體呼吸道內為一高溼的環境，微粒受到濕特性的影響在進入呼吸道後因潮 解反應而造成微粒的成長，其成長可改變氣膠在人體呼吸系統中的沉積行為，尤其是次 微米以下的氣膠經常由於吸溼作用導致粒徑增大，進而改變氣膠在肺部中沈積的位置。 因此，在評估氣膠對於人體健康危害效應時，氣膠含水特性亦是一個不可忽略的因子 (Broday et al., 2001; Schroeter et al., 2001)。
2.1.2.5 氣膠長程傳輸
近十年餘來，中國經濟蓬勃發展，沿海省分不斷興建工業區，都市車輛數亦不斷上 升，使得空氣污染物排放量日漸上升，不但造成該國境內空氣污染嚴重(Chan et al., 2005)，對鄰近國家亦造成影響頗深。
Kitada et al. (1992)的研究顯示在冬天日本有 30%-40%的酸沉降來自中國大陸， Ichikawa and Fujita (1995)的研究亦顯示中國大陸對是日本人為硫酸鹽沉降量的貢獻量 達50%。Chung et al. (1996)在 1990-1993 觀測發現酸沉降是韓國廣大地區的普遍現象， 他們由逆溯氣流軌跡線推論排放源主要來自中國大陸。Arndt et al. (1997)以 ATMOS 模 式推估亞洲各國1987-1988 年間由生質燃燒、工業源、公共事業及其它非特定排放源所 產生的SO2所造成的硫沉降量，推估超過2g m-2 yr-1的地區有東亞、印度、泰國、馬來
西亞、台灣、印尼等國家，其中中國大陸南部地區更是超過5 g m-2 yr-1。Chang et al. (2000) 以TAQM 模式(Chang and Jeng, 1995)模擬台灣地區受到長程輸送的酸沉降影響，在他們 的六個模擬事件日(包含五種天氣型態)的模擬結果顯示，中國大陸長程輸送的硫酸鹽濕 沉降佔了台灣地區濕硫酸鹽沉降量的39%，硝酸鹽則佔 37%。Engardt and Leong (2001)
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的模擬研究顯示，除菲律賓南部地區、越南北部地區外，中國東南地區的人為排放的硫 濃度及硫沉降量相當高。但Engardt et al. (2005)以 MATCH 模式(Siniarovina and Engardt, 2005)模擬東南亞的硫的分佈狀況，儘管大多數國家本國接受的硫主要來自本身的排 放，但對於鄰近排放量較大的國家，本國接受的硫僅有約10%來自本身的排放，換言之 某些排放量硫較小的國家可能有90%的硫來自鄰近國家；此外，在某些排放型態改變或 是季節變化導致沉降途徑改變的情況發生時，這些位於排放量較大的國家的下風處的國 家，沉降量將會有相當的改變。An et al. (2002)以 RADM 模式(Wang et al., 2000)模擬東 亞的硝酸鹽沉降濃度分佈，顯示高濃度主要發生在工業地區如中國大陸沿海、Huanghai Bay、渤海 (Bohai sea)、韓國及日本南部，而長程輸送使得前述地區的下游地區濃度升 高，台灣地區亦是其一。Holloway et al. (2002)引自 International Institute for Applied Systems Analysis (IIASA)發表的兩篇文獻 van Aardenne et al. (1999) 及 Klimont (2001) 分別對亞洲各國進行石化排放量的估算數據，將上述兩篇文獻合併，計算得到 1990 年 中國的石化排放量為2132 kton Ny r_1，分別為台灣、日本、北韓、南韓、印度的18.4 倍、3.8 倍、17.8 倍、8.3 倍、2.1 倍。遑論過去十幾年間中國經濟發展的速度較亞洲各 國為高，該國石化排放量應早已超越上述數據。Holloway et al. (2002)以 ATMOS-N 模擬 1990 年亞洲各國之間的酸沉降貢獻量，發現亞洲最大排放量的國家，對台灣、日本、北 韓、南韓等國的硝酸鹽沉降量總量的比例分別為18%、18%、46%及 26。反觀台灣僅對 於中國及日本的沉降量總量分別貢獻2%。Guttikunda et al. (2003)推估西太平洋百萬人口 的都市所貢獻的硫從1975 年小於 5%成長至 2000 年大於 10%來說明控制硫排放需要高 額的經費以及在這些都市中約有三千萬人暴露在WHO 標準以上的濃度。Han et al. (2004) 研究1998 年 3 月至 6 月的黃沙期間，他們以 PSCF (Potential Source Contribution Function) 及RTWC (Residence Time Weighted Concentration 兩個混和受體模式，去定位韓國漢城 受到上游地區影響的位置，他們發現中國主要城市的工業污染及戈壁沙漠為Al 及 Pb 兩 種金屬的主要來源。顯示在黃沙影響期間，黃沙源區及中國工業城市皆會對下游地區造 成影響。 Youngsin et al. (2001) 在韓國嚴重沙塵暴期間的研究指出，沙塵顆粒的特徵有二， 首先就是粒徑小於0.5 µm 的顆粒明顯的減少，另外則是粒徑介於 1.35 與 10 µm 的間 的顆粒明顯的增多。 In and Park (2002)研究 1998 年 4 月 14-22 日(15-19 日在中國沙塵源 區起沙)在韓國所接收的黃沙，微粒粒徑分佈的尖峰粒徑主要為 1.73-4.03 μm。一般來說 當沙塵暴影響時，會造成質量濃度上升，其中粗微粒上升的情形較細微粒的多。由於粗 微粒主要的成分為Si、Ca、Al、Fe、S、Na、Cl、Mg，顯示塵土與地殼元素的濃度有上 升的趨勢。(Zhang et al., 2001)於中國大陸北京、Shapuotou (a desert site) 及西安三個城 市利用階梯衝擊器觀測沙塵暴期間大氣氣膠元素組成及粒徑分佈，結果發現當沙塵暴過 境時，不僅各測站氣膠中 Al、Ca、Fe、Si、Mn 及 Ti 等地殼元素的濃度升高外，且與 中國內蒙地區黃沙的組成以及地殼物質相似，其質量中位粒徑(MMD)亦較平常的兩倍以 上，其中含量較多的為Ca，因此 Ca 為中國大陸黃沙的主要指標元素。 大陸沿海地區的SO2 排放量十分的巨大，可說是全球排放量最多的地區，SO2藉由 與沙塵暴氣膠的結合可傳送至更遠的地區。依天氣的情況不同，對東南亞各區域的影響 亦不同。沙塵暴發生時期，由於微粒吸收了沿途地區所排放的SO2，所以微粒內S 的含 量升高至平時的5 倍，並且這些增加的 S 成份大部分是屬於粗粒徑顆粒部分(Ma, C. J., 2001)。由於沙塵暴塵粒吸收 SO2，將會中和空氣中的酸性物質，以降低酸雨的效應(Ma C. J., 2001)。也有許多學者的研究顯示空氣中的硫酸氣會和塵土微粒產生反應而生成非 海鹽硫酸鹽（Wall et al., 1988； McInnes et al., 1994； Pakkanen et al., 1996）。在發生
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沙塵暴期間，硫酸鹽和硝酸鹽氣膠的質量濃度有很明顯的增加現象（Kim and Shin, 1991；Carmichael et al., 1995；Nishikawa et al., 2000）；並且二次氣膠的濃度也有增高的 趨勢，其原因應該是因為沙塵暴微粒的表面可以提供SO2 和 NOx 在長程傳輸時沉降和
反應的位址。(Zhuang et al., 1999) 指出 H2SO4 及 HNO3會與塵土微粒中的CaCO3 產生
粗微粒的硫酸鹽與硝酸鹽。這些研究推估沙塵暴經過大陸沿海重污染排放地區，與大量 的 SO2 結合後，再經過海洋地區的傳輸，與海鹽再產生反應，經由這段長程傳輸後，
沙塵暴氣膠會與海鹽氣膠內混形成新類型的氣膠，並且是在形成雲的過程中混合(Fan et al., 1995)。
沙塵暴期間大量沙塵反射或折射陽光造成能見度降低，Chung, (1992)、Chung and Yoon (1996)指出沙塵顆粒會阻塞植物的氣孔並妨礙植物光合作用的進行。對於眼睛及呼 吸道相關的疾病亦有可能會提高發病率，尤其是抵抗力較弱的小孩及老人(詹 2000)。根 據衛生署的報告指出，當沙塵暴傳輸到台灣的高峰期過後，門診病患在3~4 天內有明顯 增加的現象，且是以呼吸道系統的疾病為主。根據詹等(2002)的循環系統毒性實驗，亞 洲黃沙到達台灣時可能造成動物循環及呼吸系統毒性。因此，亞洲黃沙影響台灣期間很 可能會對民眾的健康造成影響。從許多流行病學的調查結果（Harrison and Yin, 2000、 Kennedy and Hinds, 2002）可知，人類每天致死率的增加跟氣膠的曝露有關，尤其是粒 徑在 2.5μm 以下(PM2.5)的氣膠對人體健康的影響最大。Schwartz(1996)在美國哈佛大學 附近六個城市進行每日致死率的增加與細微粒的評估，發現危害大眾健康最大的是 PM2.5微粒，原因是PM2.5很容易進入肺中，進而引起一些肺中疾病及呼吸器官的慢性損 害。 本研究的推論認為，除了上述研究提及大陸沿岸工業城市排放的SO2經水和反應產 生硫酸氣再與沙塵微粒中和造成微粒中的硫酸鹽或硝酸鹽濃度增加外，大陸沿岸工業城 市本來就會在當地產生大量含有高硫酸鹽濃度的微粒，並且這些微粒主要是當地產生的 二次氣膠，當這些微粒經長程輸送抵達台灣時，在台灣地區所觀測的細微粒硫酸鹽濃度 將升高。而且，每當沙塵隨鋒面或冷高壓抵達台灣地區時，對於台灣民眾造成身體不適 的原因或許不是由沙塵微粒所造成，而是由原本在中國沿岸城市當地產生的細粒徑微粒 傳輸過來所造成。 2.1.3 執行方法 2.1.2.3.1 監測地點與時間 微粒超級測站位於台北縣新莊運動公園如圖2 所示，北側為復興路，中度交通流量， 於上下班時間車潮明顯增加；東側的中華路上有多家餐館，因此除了交通污染源外，尚 有小型人為活動污染。圖3 顯示測站周遭的環境以及其在公園內的相對位置，在測站的 西南側為運動公園的林蔭大道，假日常有園遊會在此設攤，於西南側100 m 處為台北縣 新莊棒球場，是中華職棒比賽場地之ㄧ，如遇當日有職棒賽事，則往往會造成附近道路 車輛增加，尤其是比賽前後，更是容易造成塞車的情況；在測站更遠的北方及西北方約 9 km 處分別有五股工業區和林口工業區，為距離測站較近的工業污染來源，所以測站能 監測到機動車輛的排放和工業排放，充分地反應工業都市的微粒品質狀態。 超級測站監測時間從九十二年三月至今，每天 24 小時連續運轉監測大氣微粒，除 儀器因維護或故障外大都有監測數據。
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圖 3 台北縣新莊運動位置 (資料來源：台北縣新莊運動公園)
圖 4 微粒超級測站監測地點與周遭環境 (資料來源：台北縣新莊運動公園)
10 2.1.2.3.2 微粒特性的監測及採集方法 新莊超級測站提供了一般測站在微粒化學成分和粒徑解析上所無法獲得的資料，它 能連續採樣和分析氣膠的化學組成(如：碳成分、硝酸鹽濃度、硫酸鹽濃度等)、微粒粒 徑(從0.013~10 μm)及大氣條件，若加上鄰近一般測站資料的配合便可擁有更完整的資料 以闡釋氣膠在大氣中所進行的一些化學物理反應。以下針對各儀器做簡略介紹。 2.1.2.3.2.1 自動監測儀器 自動監測儀器可連續監測大氣微粒的物理、化學及物理特性，提供精確且即時的量 測數據。 2.1.2.3.2.1.1 微粒質量濃度監測儀 R&P 1400 方法概述：採用R&P 公司漸縮元件震盪微量天秤(TEOM)技術的連續監測微粒質量 濃度，如圖4 所示。 主要單元： (1)TEOM：微粒經過濾紙而沉降在濾紙上，利用錐形元件震動頻率改變來計算 微粒質量濃度。 (2)系統控制單元 (3)自動採樣和收集單元(ACCU)
(4)採樣乾燥系統(SES)：使用 Nafion dryer 技術將採樣氣流作溫溼度的調節，減 少微粒因濕度造成高估的影響。 儀器原理： 5 . 0 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = M K f 2 0 2 1 1 1 f f dm Ko − = f:振動頻率(radians/sec)；K:震動速率；M:質量 dm:質量的改變；Ko:震動的常數(包含質量的轉換)；fo:初始振動頻率(Hz)；fl:最後震動 頻率(Hz)
圖 5 微粒質量濃度監測儀 R&P 1400 (資料來源：R&P Co., Inc.)
2.1.2.3.2.1.2 微粒碳成分監測儀 Sunset 5040
方法概述：Sunset 實驗室發展的半自動氣膠碳成份監測儀(semi-continuous OCEC carbon aerosol analyzer, Model 5040, Sunset Laboratory Inc.,USA)，是以 NIOSH(1999)公告 的thermal/optical transmission(TOT)分析方法為基礎，利用兩階段的升溫模式及不同載流
11 氣體環境分別量測微粒中的有機碳及元素碳，圖5 為儀器外觀。 儀器原理：Sunset 5040 的加溫模式將 NIOSH 標準方法簡化成四個階段，第 1-2 階段 以純氦氣為載流氣體，樣品腔的溫度則分段加熱至600 ℃及 840 ℃，因高熱而釋出的有 機化合物及熱解產物藉由 MnO2 氧化成 CO2，再經由非分散性紅外光（non-dispersive infrared , NDIR）偵測器偵測載流氣體中 CO2 含量。 在此分析方法中假設元素碳具有足夠的熱穩定性，不會在840 ℃以下的溫度發生變 化，因此上述分析過程中所量測到的碳均應當源自於樣品中的有機物質；升溫至840 ℃ 之後溫度先降低至550 ℃，並且載流氣體換成 2% O2 / 98% He 的混合氣，然後樣品腔 的溫度再加熱至850 ℃，這個階段是在有氧(2%O2 / 98%He)環境下使元素碳氧化成 CO2 進行偵測。
圖 6 微粒碳成分監測儀 Sunset 5040 (資料來源：Sunset Laboratory Inc.,USA)
2.1.2.3.2.1.3 微粒硝酸鹽成分監測儀 R&P 8400 N 方法概述：本儀器所測得數值為微粒中所有形式的無機硝酸鹽成分，並沒有銨鹽的干 擾。應用閃火揮發技術，先將高量電流通過衝擊器的鎳鉻閃火片，約0.01 秒的時間，加 熱至350℃，使微粒中的硝酸鹽揮發分解成 NOx。從閃火揮發產生的 NOx 脈衝，經由 NOx 脈衝分析儀加以量測，量測值包括銷酸銨、硝酸鉀及硝酸鈉，但不受硫酸銨的影響， 儀器外觀如圖6 所示。 儀器組成： (1)採樣入口系統：由防雨罩、採樣管線和可調整包覆氣流管線所組成。 (2)C3 脈衝產生器：用於收集、調理以及使收集的 PM2.5成分閃火揮發。採集樣品先經過 PM2.5旋風分離器，接著通過活性碳denuder，調濕系統，以及衝擊樣品孔口，最後衝擊 至鎳鉻閃火片上。 (3)抽氣幫浦提供所需的真空壓力以運轉該系統。 (4)NOx 脈衝分析儀：測定所收集 PM2.5微粒加以閃火揮發後的NOx 釋放量。 (5)氣體鋼瓶：用於氮氣/零值氣體的供應，以及氮氣中 NOx 校正確認之用。 儀器原理：先將微粒以衝擊板收集後，閃火揮發使微粒硝酸鹽成分產生NOx 氣體。所 偵測到為NOx 的總氧化物濃度，本儀器量測一氧化氮和臭氧螢光氣相反應的光強度， 反應式如下：
NO+O3ÆNO2*+O2
NO2*ÆNO2+hν
當NO 與 O3反應結果，產生激發的NO2分子，激發態NO2分子以放射出一個光子的方
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儀採集脈衝產生器輸出氣流，並以PMT 光電倍增管加以量測 NO 濃度，接著經由加熱 鉬轉換器將所有的NO2還原成NO，如下式：
3NO2+MoÆ3NO+MoO3
因此，分析儀可以量測到總NOx 濃度，再由數據擷取系統記錄數據。
圖 7 微粒硝酸鹽成分監測儀 R&P 8400 N (資料來源：R&P Co., Inc.)
2.1.2.3.2.1.4 微粒硫酸鹽成分監測儀 R&P 8400 S 方法概述：如圖7 所示本儀器所測得數值為微粒中多數以硫酸鹽存在的總硫成份。 應用閃火揮發技術，先將高量電流通過衝擊器的白金閃火片約 0.01 秒的時間，加熱至 600℃，使微粒中的硫酸鹽揮發分解成 SO2。從閃火揮發產生的 SO2脈衝，經由 SO2脈 衝分析儀加以量測。 儀器組成： (1)採樣入口系統：由防雨罩、採樣管線和可調整包覆氣流管線所組成。 (2)C3 脈衝產生器：用於收集、調理以及使收集的 PM2.5成分閃火揮發。採集樣 品先經過PM2.5旋風分離器，接著通過活性碳denuder，調濕系統，以及衝擊樣 品孔口，最後衝擊至白金閃火片上。 (3)抽氣幫浦提供所需的真空壓力以運轉該系統。 (4)SO2脈衝分析儀：測定所收集PM2.5微粒加以閃火揮發後的SO2釋放量。 (5)氣體鋼瓶：用於零點/全距潔淨氣體的供應，以及空氣中 SO2校正確認之用。 儀器原理：先將微粒以衝擊板收集後，閃火揮發使微粒硫酸鹽成分產生SO2氣體。所偵 測SO2氣體是利用螢光照射法量測，SO2會吸收波長190-230 nm 的光，這個區域相對而 言較不受空氣及其他物質干擾，由多核芳香族PNA 所導致的干擾，可用薄膜加以去除， 而不影響到SO2氣體。UV 燈源放射出紫外線輻射，接著通過 214 nm 過濾頻帶，激發 SO2分子，產生螢光後，再由含有第二個過濾頻帶的PMT 光電倍增管加以量測，反應 式為： SO2+hν1ÆSO2* 系統中任一點所激發的紫外光，可由
Ia={Io(1-e-ax(SO2)} Io 為紫外光強度，a 是 SO2的吸收係數，X 為光徑，(SO2)是 SO2
的濃度值，激發後的SO2衰減回到基態後，會散發出特徵螢光：
SO2*ÆSO2+hν2
當SO2的濃度值較低時，激發光線的光徑較短，而背景是空氣，上式簡化為F=K(SO2)
因此，照射在PMT 上的螢光輻射與 SO2濃度成等比例關係，PMT 將光的能量轉換成電
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圖 8 微粒硫酸鹽成分監測儀 R&P 8400 S (資料來源：R&P Co., Inc.)
2.1.2.3.2.1.5 微粒總多環芳香族碳氫化合物監測儀 PAS 2000 量測原理：儀器如圖8 所示帶有微粒氣流流經一石英管，石英管周圍裝有一準分子 燈管，準分子燈管是一中空雙壁面石英管，在同中心壁面中空處填充氪與少量氯，電極 在燈管外面，燈管的電極外圍是一金屬的反射管，電極內在燈光下是透明的，燈管在高 頻與高電壓下運轉，燈管在約2%半頻寬的 222 nm 下放射，由一矽偵測器量測放射強度， 此訊號是用於控制燈管強度，經由調整燈管頻率可以達到控制強度的目的，然後，帶電 微粒在進入濾紙組件前流過一短管，使用少量電壓去除所有帶負電微粒，接著帶電微粒 被收集在濾紙上，最後電流被導向電位計加以量測。
圖 9 微粒總多環芳香族碳氫化合物監測儀 PAS 2000 (資料來源：EcoChem Com.)
2.1.2.3.2.1.6 微粒散光儀 TSI 3563 three-wavelength 方法概述：積分式散光儀量測微粒的散光係數，是將一束固定波長的光，穿越已過 濾的乾淨氣體及帶有大氣微粒的空氣，量取前後光能的能量差，利用Beer-Lambert Law： I/Io=e-σx來定義散光係數，σ 為散光係數，X 為穿過的介質厚度，利用儀器量測的散光係 數減去採樣室表面產生的散光係數、空氣的散光係數，以及偵測器本身的電子雜訊而得 到微粒的散光係數，可用三種光波長：450 (藍光)、550 (藍光)、700 nm (藍光)量測微粒 的總散光係數(7-170 度)σλsp及後散光(90-170 度)係數 σλbsp共6 個重要參數，由於散光為 微粒變化頗大的性質，即時量測的數據可以迅速反映出微粒對光散射的變化型態，圖 9 為微粒散光儀。 儀器組成： (1)主體構造：主要材料為鋁，包含長 90 cm 和直徑 10 cm 的薄壁鋁管。
14 (2)石英-鹵燈：散光儀內部有一個 75 watt 的石英-鹵燈，固定在橢圓形的反射 器內，提供微粒足夠的照明度，光積分角度必須大於7 度小於 170 度。 (3)光電倍增管(PMTS)：將散射光子轉換成電子脈衝，再由內部運算處理器計 算。 (4)加熱器：當散光儀設置於具有溫控設備的室內環境，進行高溫高濕採樣時， 必須使用加熱器來避免凝結問題。 (5)吹風機 (6)溫溼度感應器：提供準確的讀值，出口溫度用於校正採樣溫度。 儀器原理：BG 和 AMB 表示背景和環境狀況的樣品，D、C 和 S 分別表示節波器狀況為 暗反應、校正和訊號三個階段，原散射訊號BBG (Air Rayleigh+Wall)和 BAMB (Aerosol+Air
Rayleigh+Wall)可表示為： BBG=K2(SBG-DBG)/(CBG-DBG)
BAMB=K2(SAMB-DAMB)/(CAMB-DAMB)
其中K2為計算特定氣體(如 CO2)的檢量線所得的常數，空氣分子的雷利散射 RBG，RAMB
是壓力和溫度的函數，可表示為： RBG=K3(PBG/TBG)
RAMB=K3(PAMP/TAMP)
其中K3 為已過濾空氣在檢量線階段計算出的常數，乾淨空氣散射(W)，總散光係數 bs (Aerosol+Air Rayleigh)，和微粒散光係數間的關係可表示為： W=BBG-RBG bs=BAMB-W bsa=bs-RAMB 因此可將光電倍增管的訊號轉變成微粒散光係數。 圖 10 微粒散光儀 (資料來源：TSI Com.)
2.1.2.3.2.1.7 微粒吸光儀 Magee Scientific AE-31 Spectrum
方法概述：利用一個光源(通常提供可見光：500-700 nm)，照射一石英濾紙，使得 石英濾紙感光後，光穿過石英濾紙，再被後面的光偵測器偵測。用石英濾紙來收集微粒， 由於濾紙的 multiple internal reflection 加強了光學的吸收效能以及去除粒子的散光影 響，且微粒吸收光能的成分為黑碳，使用石英濾紙收集，可以減少一些有機、硝酸鹽或 硫酸鹽等物質散射的干擾，收集在濾紙上的微粒收集了光，造成光的衰減，到達偵測器 的光能減弱，利用此來測得吸光係數。 儀器組成： (1)光學頭：採樣氣流通過濾紙時，從上面照射並由安裝於下方的光度偵測器量 測透射光的強度。 (2)自動濾紙帶進料系統：負責將 25mm 寬的石英濾紙帶從捲軸上，送至定位。
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(3)面板控制及顯示器：內部置放濾紙捲軸及光學頭，內部底座裝設有磁碟機及 控制開關。
(4)質量流量控制：由於吸光儀是利用光學訊號的改變來決定濾紙帶上採樣聚集 點的微粒黑碳濃度，所以流量的決定 相當重要，流量計的輸出為 SLPM (Standard Liter per Minute)，若有外部大氣溫度與壓力提供，則可轉換為 vLPM (volumetric LPM)，流量計範圍 0-10 LPM。 (5)微電腦介面：提供電壓量測值的轉換，並計算黑碳濃度及數值輸出。 儀器原理：本儀器是光束通過濾紙的衰減與沈積在濾紙上黑碳的量成等比例關係，計算 出黑碳濃度，光的衰減定義為： ATN=-100*ln(Io/I) Io 為光通過空白濾紙透射強度，I 為光通過沈積微粒濾紙的透射強度，100 是為了易於 數值上的表示，若不看此因子，則上述定義即是光透射強度，當使用白光量測時，衰減 值為1 是幾乎可以感測(空白濾紙只有 1%)，因此 ATN 為 100 相對應於非常黑。 因為微粒吸光主要成分為黑碳，所以利用以下的式子來求出黑碳濃度： [BC]=ATN/σAPI σAPI (m2 g-1)為微粒黑碳在濾紙上的吸收效率，製造商建議值為 19 (m2 g-1)。
圖 11 微粒吸光儀 AE-31 (資料來源：Magee Scientific Com.)
2.1.2.3.2.1.8 微粒數目粒徑分布監測儀 PMS Model PCASP-X
方法概述：圖12 主要利用雷射光照射進氣氣流，使氣流中的微粒產生光散射，由 於光散射大小與微粒粒徑有關，因此可以藉訊號的轉換得到相對等的微粒粒徑。 儀器組成：只有單一主體，面板具有可調採樣氣流流速及包覆空氣氣流流速的控制鈕， 以及顯示參考電壓值，內部主要有一Laser Cavity，產生雷射光束，照射進入 Laser Cavity 的微粒。
儀器原理：將微粒通過Laser Cavity 內，以強烈的可見光束照射，每一微粒橫向通過光 束時會產生光散射，各角度的散射光都會被偵測到。微粒的大小可由脈衝振幅定量，微 粒的數目由脈衝數目來定量。
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2.1.2.3.2.1.9 次微米微粒粒徑分布監測儀 SMPS
方法概述：SMPS 系統使用偵測微粒的電移動度方法，用來量測次微米微粒的數目 粒 徑 分 布 ， 其 系 統 結 合 靜 電 篩 分 器(Electrostatic Classifier) 及 微 粒 凝 結 計 數 器 (Condensation Partical Counter, CPC)兩部份。採樣氣流先進入篩選器，微粒依照不同的電 移動度，經由連續改變電壓使得微粒依粒徑大小而被篩分，然後在 CPC 儀器中進行計 數，即可獲得高解析度的粒徑數目連續圖譜圖13 (a)與(b)。
儀器組成：SMPS 系統包括含靜電篩分器(Electrostatic Classifier)及微粒凝結計數器(CPC) 兩部份：
(1)微粒篩分器：包含一個主體及結合差異移動度分析儀(Differential Mobility Analyzer, DMA)，才能將多粒徑分布微粒篩分出單一粒徑微粒，其主體包含衝擊器、包覆空氣流 量控制器、電荷中和器、高電壓控制器。 (2)微粒凝結計數器： (a)感應器：顯示感應器本身是由一個飽和器(Saturator)、凝結器(Condenser)和光學偵測 器所構成。 (b)微處理器 (c)氣流系統：儀器有兩個進口流量選擇，分別為高流量 1.5 LPM 及低流量 0.3 LPM。
圖 13 (a) DMA (b) CPC (資料來源：TSI Com.)
2.1.2.3.2.1.10 氣象塔
方法概述：風速計有一組三個風杯組件，以及solid-optical link with a 40-solt chopper disk 會產生脈衝輸出，其輸出頻率與風速大小成比率，內部有一個加熱器來降低溼度以 延長軸承壽命。風向計有一組輕質葉片組件，以及微力矩電位計會產生數位電壓輸出， 其輸出電壓與風向成比例，內部有一個加熱器來降低溼度以延長軸承壽命。溼度計為一 敏感度高、精確度高的溼度感測計，量測範圍從0-100% RH。其輸出電壓值換成 RH 測 值呈線性關係，並且可忽略溫度的干擾及遲滯現象。通常可以加一組高精確度的溫度感 測計，除監測相對溼度外還可以同時獲得溫度監測值。 2.1.2.3.2.1.11 光達系統特徵及觀測地點
光達(LIDAR, LIght Detection And Range)或稱雷射雷達(Laser Radar)是一種雷射的光 學遙測系統。憑藉雷射的高指向性與同調性，並應用不同的光譜與光學技術，可以用來 實現多種高空間解析度的遙測目的。光達的基本工作原理與雷達(Radar)頗為相似，兩者 雷達都是先發射電磁波，然後藉由分析大氣或物體的散射或反射波來達成遙測的目的， 其主要的差異在於雷達發射的是無線電波，而光達所使用的則是從紅外光到紫外光波段
17 的雷射。 本計畫採用的光達系統以一具 Nd:YAG 脈衝式雷射作為光源，發射的雷射光波長 包括 1064 nm (紅外光)、532 nm (綠光)及 355 nm (紫外光)。光達系統偵測的訊號包括空 氣與懸浮微粒的Rayleigh 與 Mie 散射光、氮氣分子的振動拉曼散射光、及粒子的消偏振 率，由於測量的目標是大氣的垂直分布結構，因此雷射光都是以垂直的角度向天頂發射。 本計畫實驗期間光達系統的安置地點位於台北盆地東側的台灣大學大氣系觀測坪 內，與位於盆地西側的新莊超級測站相距約 15 公里，雖然兩地地面層的微粒濃度並不 盡相同，但是兩地同樣位於台北盆地之內，大氣混合層高度的差異應當相對有限。
18 2.1.2.3.3 分析方法 2.1.2.3.3.1 數據處理 超級測站各項監測數據在進行分析之前，必須對數據的可疑值做篩檢、標記及刪除 動作，因此對整個數據的處理訂定了作業流程，數據確認流程的訂定可避免不同人對數 據刪除的依據不同，導致在後續對資料的使用有錯誤。數據的作業處理步驟如下： 步驟一、從儀器所附數據儲存器下載數據或由儀器直接傳輸數據到資料庫，並以微軟 EXCEL格式儲存，定義為Level (0)。對於此層級的資料，僅作存檔備份的工作， 並不對內容作任何修改。
步驟二、彙整Level (0)的資料後，將檔案另存並更名為Level (1-A)，然後根據資料庫輸 出的資料，先將有缺值的時間點找出，再針對有問題的測值，比對測站出入登 記簿確認後，進行標記。在同一檔案中開啟另一活頁，進行問題值刪除的動作， 刪除問題值後進行基本統計量的計算。關於各項監測儀器問題值的定義如下： R&P 1400質量濃度量測值：負值、沒有值或測值為零等。 R&P 5400碳成分分析儀量測值：負值、沒有值、測值為零、或OC 濃度大於TC 等。 R&P 8400 N硝酸鹽濃度量測值：負值、沒有值或測值為零等。 R&P 8400 S硫酸鹽濃度量測值：負值、沒有值或測值為零等。 吸光儀監測值：負值、沒有值、或測值為零。 散光儀監測值：負值、沒有值、或測值為零。 氣象資料：僅針對沒有值及測值為零的部分做說明。 步驟三、當完成Level (1-A)檔案後儲存，並將檔案另存更名為Level (1-B)，然後，根據 刪除問題值後的資料，篩選出低於儀器偵測極限的數據，並加以標記，但不予 以刪除，同時計算出低於偵測極限的數據數目。 RP1400質量濃度偵測極限：5 μg m-3 RP5400碳成分偵測極限： 1 μg m-3 8400N硝酸鹽濃度偵測極限：0.4 μg m-3 8400S硫酸鹽濃度偵測極限：0.4 μg m-3 步驟四、當儲存Level (1-B)檔案後，將檔案另存並更名為Level (1-C)，然後進行化學成 分佔PM2.5 的關係是否合理的比較，例如：TC＞PM2.5、SO4＞PM2.5、(TC＋SO4 ＋NO3)×0.9＞PM2.5，將不合理值加以標記，但不刪除。 步驟五、進行完Level (1)層級中的各項處理後，便進入Level (2)層級，但不再對數據作 任何變動或標記，這個檔案可提供進行各種特性的比較或與模式模擬值比較， 並探討當地微粒特性。 2.1.2.3.3.2 事件日的篩選原則 本計畫中事件日分為黃沙事件日、平常日高濃度事件及民俗節慶日。 1.黃沙事件日的判定是以東亞沙塵暴與背景測站懸浮微粒成分特徵之研究(李 等, 2002) 為標準： (1)取萬里站與陽明山站為背景站，必須在影響期間內至少一個背景站出現 PM10 小時 濃度大於100 μg m-3，且盛行東北風、低NO、CO 與穩定 O3，才認定為受到影響。 (馬祖站雖然在每次東亞沙塵抵臺時，均會出現受到影響的訊息，但因為同時受中 國地區污染影響，PM10 濃度異常的高，其監測資料可用於確認沙塵影響的現象， 但其數據不適用於臺灣地區受東亞沙塵影響的分析過程中。)
19 (2)列出臺灣主要受影響區域(參考圖 14，包括：台北基隆空氣品質區測站、桃園、大 園與觀音測站、宜蘭測站及花蓮測站)內三個測站最高小時 PM10濃度，濃度必須都 大於100 μg m-3，且符合盛行東北風、低NO、CO 與穩定 O 3，並計算出此三個測 站最高小時PM10濃度的平均值。 (3)再依下列等級分類為：0 級(平均值小於 150 μg m-3)、1 級(平均值介於 150 ~ 200 μg m-3)、2 級(平均值介於 200 ~ 300 μg m-3)、3 級(平均值介於 300 ~ 400 μg m-3)、4 級 (平均值介於 400~500 μg m-3)、5 級(平均值大於 500 μg m-3)等。 2.平常日高濃度事件主要以 PM2.5為參考依據，詳細事件分析標準請參閱第五章。 圖 14 臺灣主要受影響區域 (資料來源：東亞沙塵暴與背景測站懸浮微粒特徵研究) 2.1.2.3.3.3 光達量測分析 2.1.2.3.3.3.1 大氣混合層高度的觀測 光達在發射出脈衝雷射光之後，所接收到的訊號為空氣分子(下標 m)與懸浮微粒子 (下標 aer)的背向散射光，訊號的強度可以用光達方程式(Lidar Equation)來描述： ) , ( 2 2 0 ( , ) ) , ( z e z z A z P λ = β λ × −τ λ 其 中 β 和τ 分 別 代 表 背 向 散 射 係 數 與 光 學 厚 度 ： β(λ,z)=βm(λ,z)+βaer(λ,z) 、 dz z z z) z[ m( , ) aer( , )] , ( 0 σ λ σ λ λ τ =
∫
+ ，σ 為消光係數(亦即散光係數與吸光係數的總和)。 A0為儀器的特徵參數(與個別儀器的雷射功率、接收鏡尺寸及光學系統的效率有關)。 採用光達偵測大氣混合層高度的基本構想為利用混合層內高濃度的大氣微粒做為 追蹤劑，在混合層頂與自由大氣 (free atmosphere)銜接的區域中微粒濃度將隨高度增加20 而急遽降低，因此可利用散射訊號的變化率分析出混合層頂部的位置(Menut et al., 1999)。以 2005 年 3 月 16 日的觀測資料為例，圖 15 為微粒背向散射係數的時間及高度 分布，我們由圖上截取09:00 及 13:30 兩個時間的資料繪製微粒的垂直分布如圖 16 (a)， 早晨低空的逆溫層使得地面微粒無法向上擴散，而中午旺盛的大氣對流則使1.2 km 以 下的微粒濃度呈現接近均勻混合的狀態，為了定出混合層頂的位置，可進一步將微粒背 向散射訊號強度對高度進行微分，微分量的高度分布如圖 16(b)，微分量極小值(負值方 向的極大值)發生的位置代表微粒濃度遞減率最大的位置，顯示低層微粒的垂直擴散在 該高度層已受到限制，依據前述對混合層特徵的描述，這個擴散限制的高度即為混合層 頂的高度。 圖 15 2005 年 3 月 16 日微粒背向散射係數的時間及高度分布，圖中垂直虛線分別位於 時間軸的9:00 及 13:30，這兩個時間的資料分析如圖 16。 (a) (b) 圖 16 (a) 2005 年 3 月 16 日 9:00 及 13:30 微粒背向散射係數的高度分布。 (b) 2005 年3 月 16 日 9:00 及 13:30 微粒背向散射訊號強度對高度微分量的高度分布。 2.1.2.3.3.3.2 光達偵測大氣中沙塵微粒的方法 源自亞洲大陸的沙塵微粒是春季影響台灣地區大氣微粒濃度的重要因素之一，因此 判斷沙塵事件的影響期間將有助於解釋 PM10濃度的變異。由於非球形微粒產生的散射 光波中會包括部分垂直於原入射光偏振方向的分量，在光達的量測技術中，可以分別量 測微粒的散射光中垂直及平行於原雷射光波偏振方向的分量強度，判斷微粒形狀偏離球
21 形對稱的程度，這兩個分量強度的比值即定義為微粒對雷射的「消偏振率」(depolarization ratio)，而球形微粒的消偏振率等於零(Bohren et al., 1998)。大氣中多數的微粒均具有接 近球形的特徵，沙塵為少數顯著偏離球形的微粒，並因而具有高於一般大氣微粒的消偏 振率，依據Iwasaka et al. (2003)在敦煌獲得的光達觀測數據，高空大氣層(4-6 km)沙塵微 粒的消偏振率大致在7~20%的範圍，低空的微粒可能受到水汽凝結或是與其餘大氣微粒 混合的影響，因而有較低的平均消偏振率。在日本及中國的其餘研究也常於沙塵期間發 現空中存在具有高消偏振率特徵的微粒(Murayama et al., 2001; Shimizu et al., 2004)， Iwasaka et al. (2003)的結果為高空沙塵提供了直接的佐證，本計畫也將依據微粒的消偏 振率大小，做為判斷大氣微粒濃度是否受沙塵影響的依據。
