英语原文共 12 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

外文翻译

德国高速公路、农村道路及城市交通排放源的数浓度、化学成分粒径谱和黑碳的现场测量

J.Schneider，U.Kirchner， S. Borrmann，R. Vogt，V. Scheer

摘要：利用移动实验室对交通相关的气溶胶颗粒的各种特性进行了现场测量。测量的内容包括颗粒物化学成分（硫酸盐、硝酸盐、总碳、铵盐、黑碳）以及粒径在10～300nm的粒径分布和总数密度。此外还监测了气体排放物（CO₂、NO、NO₂)。于2005年6月在德国亚琛市（人口约26万）50°81′N, 6°11′E 附近的高速公路、农村道路和市区进行了六次测量。

结果表明，交通对气溶胶特性的主要影响是生成了直径约为100nm的包裹有机物的碳烟颗粒（烟怠）。在交通最繁忙的市中心，这些粒子的浓度最高。偶尔也会在高速公路上追逐的卡车排放中发现核模态粒子(约30nm)。这些粒子主要由有机化合物组成，但也可能含有硫酸盐核。在高速公路背景下观察到的数据和农村道路数据相似。在卡车追逐的车流中观察到了数浓度最大值。比较非耐高温材料（达到600℃）和总颗粒物体积发现相较农村，耐高温材料在所有交通影响条件下贡献很大。对18辆卡车样本的燃料排放比的观察发现，产率为数浓度（8.3plusmn;5.8）times;10¹⁵kg^-1，黑碳224plusmn;136mg·kg^-1，有机物125plusmn;125mg·kg^-1，NO17plusmn;12g·kg^-1,NO_X18plusmn;14g·kg^-1（平均值和标准差）。

1.简介

在城市颗粒物污染中，交通排放扮演着重要角色。粗粒子和细颗粒物（粒径分别＞2.5mu;m,＜2.5mu;m）对健康的危害已经被详细研究。尤其是超细颗粒对健康危害更大。相比之下，几乎没有关于柴油尾气产生的核模态粒子对健康影响的数据，这些粒子由硫酸根和水的气-粒转化生成，同时包含在成长过程中吸收的半挥发性有机物。尽管硫酸气溶胶有着显著的毒理效应，但是有可能在人体呼吸道被迅速中和为硫酸铵，从而导致没有对实验大鼠肺部造成显著健康影响。

不过我们仍然不确定在环境颗粒物(PM10，PM2.5)的质量浓度或数浓度中有多少是由交通排放所贡献。然而，随着美国和欧盟开始讨论颗粒物排放控制政策，当代科学研究回答了这一问题。目前欧洲规定每年PM10(空气动力学直径小于10mu;m的颗粒物)达到50mu;g·m^-3的天数不得超过35天。

近年来，在发动机测试点或底盘测试对发动机颗粒物排放进行了许多研究。为了获取实际大气条件下汽车尾气和颗粒物的排放信息，这些实验室测量必须辅助现场观测。平稳测量适合提供与特定观测点的数据，但不适用于个别车辆贡献的研究。因此，实际行驶条件下的道路实验是加强对交通排放科学理解的关键实验。最近，一些研究机构使用了移动实验室，并论证了对交通排放特别是气溶胶颗粒移动观测的可行性。这些研究包括了污染排放的指示因子如CO,NO_X和颗粒物，但是化学成分的测量需要适当的时间分辨率，尤其是移动实验室利用粒径分布来分辨化学成分，到目前为止只有Canagaratna等人的报告。本文研究采用了福特移动实验室（FML），配备有在线气溶胶质谱仪(Aerodyne Q-AMS)和附加的气溶胶和气相测量系统。

观测于2005年6月在德国亚琛附近的各种交通情况下进行。尽管本文的研究重点是行驶卡车在实际条件下的排放观测，但数据采集了高速公路、农村道路和市中心的背景条件。

2.实验

测量在2005年6月7日到10日在德国亚琛附近（人口26万，位置50ordm;48′N,6ordm;06′E）进行，主要在高速公路上（“Autobahn”A4, A44, A61）、农村的区域道路、亚琛市中心，部分在郊区或小城镇（图1）。亚琛城及周边有玻璃陶瓷生产、沥青混凝土生产、基础贵金属和有色金属等排放密集型产业。该地区有露天软煤采矿场以及较大的发电厂。

FFA的FML仪器清单如表1所示。针对本实验，气溶胶质谱仪(Q-AMS）、AVL微烟颗粒传感器(Model 483)、商业版本的光声烟粒传感器(PASS)都被整合到FML中。微烟尘传感器检测黑碳的时间分辨率为1Hz，检测限为5mu;gm^-3。Q-AMS用空气动力学透镜将直径在20至1000nm（60到600nm之间100%透过）之间的粒子聚焦成一个窄的粒子束，可以通过差动泵将粒子从气相中分离出来。粒子束朝向到热汽化器（约600℃），通过电子轰击使粒子蒸发和水汽电离。离子被四极质量过滤器筛选，并被二次电子倍增管探测到。Q-AMS可以检测的物质包括硫酸盐（SO₄）、硝酸盐（NO₃）、铵盐（NH₄）和有机物（OM）。黑碳（BC）不由Q-AMS检测。

用粒子飞行时间模式，空气动力学粒径分布可以通过调整波轮在120Hz从而调整粒子束来获取。实时监测波轮和汽化器之间的粒子速度。在这种模式下，四极质量过滤器设置为m/z的比率固定一次读数，在3Hz之后改变为随后的读数。实验研究期间一共有13个m/z值(15, 16, 18, 28, 30, 43, 44, 48, 55,57, 64, 67, 73)。以120 Hz 每0.3s切换一个比值完成一次完整的粒径分布扫描。通过四极探测器循环切换13个比值，所有的比值扫描在4.3s内完成。在FML观测时，飞行模式和质谱模式每10秒切换一次，平均数据每30s保存一次。

安装一台自动计算机照相机通过对挡风玻璃对数据进行分类，识别为卡车行驶，红绿灯停止和改变道路。特别注意避免因FML的设备维修而导致污染产生。因红绿灯停止和交通堵塞也包括在分析中，因为这些代表着日常交通条件。

在2005年6月7日至10日一共进行了6次测量（见表2）。4天观测期间天气条件都是干燥的，碎云，无降水发生。温度12℃～ 22℃，相对湿度26%至58%。亚琛附近的环境监测站的资料显示主导风向在西北和东北之间，日平均风速在1.5至3.2m/s之间。4天观测期间亚琛环境监测站得到的PM10平均浓度为29plusmn;9mu;gm^-3 ，城市周边的远地为18plusmn;3mu;gm^-3.亚琛北部和西部地势平坦，高速公路没有显著坡度，而南边属于埃菲尔山脉。6月10号在埃菲尔一条山区乡村公路，A1高速的南部也通向埃菲尔（6月8号下午）。亚琛市中心的监测在6月9号09：42至10：17.观测期间没有出现走走停停的情况，即使在交通密度很高时依然保持流动。红灯停止时发动机空转，随后频繁的加速。

计算机控制相机对每个事件摄取照片识别并分类（表3）。卡车车流数据是在高速公路上（允许总重40吨的两辆卡车并行)约50至100m距离跟踪卡车。一共统计了46辆卡车，最长的持续了21min,4次少于1min.颗粒物数据全部可用，气相数据35个可用。德国高速对卡车的时速限制为80公里，虽然通常以略高于90公里的速度行驶。私乘车在高速公路上不会追逐，因为可以开的更快。（一般不受限制，尽管通常限制为100，120或130公里）。而FML本身是一辆卡车，不允许超过80公里。当没有直接的卡车追逐发生时，采集的数据被定义为高速公路背景值。市区中心环线的数据平均代表亚琛市。区域农村道路在城市外的区域道路上获得，交通密度明显低于市区或高速公路，一般车速限制为100公里，除非已标记下限。其他类别为农村区域公路或郊区/小城市要么数据太少在统计上没有重要意义，要么太异构，无法进行有意义的分析。

3.结论

3.1平均浓度

分成四大类别主体（卡车追逐、高速公路背景、农村地区道路、亚琛市）的总平均数浓度、黑碳、硫酸盐、有机物的浓度如图2所示。对应的数值和标准偏差列于表3.

高速公路背景值和亚琛市中心的数值比较可得，卡车追逐过程中数浓度（A）最高。农村区域道路明显较低。在卡车追逐过程中发现的高数浓度可以解释为硫酸性尾气和包裹有机组分生成核模态粒子，这一点由粒径谱证实。黑碳、有机物和硫酸盐的质量浓度表现不同。硫酸盐的质量浓度（C）几乎与测量位置无关，可能主要由背景气溶胶主导而不受交通尾气影响。在数浓度上占主导的小颗粒物中的硫酸盐或硫酸根明显在总硫酸盐质量浓度中没有大的贡献。非耐高温有机组分（D）和黑碳（B）的质量浓度在城市交通条件下最高。这是差别大约有两倍明显的有机物。城市交通的数浓度低于高速公路平均值，这表明颗粒物释放条件在城市更大，或是高速公路条件下包含更大的黑碳和有机碳载荷。一个可能的原因是城市交通中大量的走走停停的时间，这期间发动机空转以及随后频繁的加速，导致释放含量较高的未燃烧的大颗粒。Yli-Tuomi等也发现了城市交通中黑碳浓度高于高速公路。观察结果显示赫尔辛基市中心的平均值为11mu;gm^-3，高速公路背景值为8mu;gm^-3.

我们在亚琛观测到的黑碳平均值为9.4mu;gm^-3，卡车追逐期间为7.9mu;gm^-3.相比之下，我们的高速公路背景值明显较低3.2mu;gm^-3.

由Pakkanen 等观测并作为本地交通排放源的指示的黑碳日循环，可以排除城市中心和高速公路的测量差异原因。因为6月9号数据是在早高峰以后观测的，先是在市区，接着在高速公路上。高速公路平均背景值和4天的平均水平相近，这也就排除了气象差异使亚琛市黑碳浓度增高的原因。我们认为工业使BC 和OM水平较高不太可能，因为工厂位于亚琛郊区，同时市区环线主要被4、5层的楼包围。

不像黑碳质量浓度和数浓度，非耐高温有机物（D）在卡车追逐工程中没有发现增高。因此，卡车在高速条件下新排放的粒子只有少量未燃烧的碳氢化合物和大量烟尘。

相比于其他三类，在乡村道路上的黑碳浓度最低，而硫酸盐和有机物的浓度与高速公路没有显著差异。

3.2质量加权粒径分布

3.2.1 AMS数据

由AMS测量的化学成分质量加权粒径分布可以分析出进一步的信息。图3显示了四个主要事件类别的平均粒径分布。所指颗粒物粒径为真空动力学粒径d_va.数据可以清楚地分为两个不同粒径范围：背景积聚模态气溶胶（d_va＞200nm）和由Q-AMS 通过探测硫酸盐包裹的非耐高温材料和烟尘颗粒中的有机物识别的烟怠模态气溶胶（d_va ＜200nm)。

乡村区域道路气溶胶（A）和高速公路背景（B）的质量分布由背景气溶胶控制。在乡村道路的测量期间，遇到的是交通量很低的时段。偶尔有经过的卡车或柴油客车导致和高速公路背景相似的有机颗粒物粒径模态出现。高速公路背景和乡村区域道路的平均质量载荷对比如图2所示。

在卡车追逐（C）中交通相关排放源的影响变得更加明显。d_va＜200nm的气溶胶颗粒质量主要是有机成分组成，再加上一些较小的硫酸盐。遇到一组卡车产生明显的大约在30nm的核模态粒子(图4D给出了一个例子)。硫酸盐主要在大约100nm的烟怠模态被检测到，核模态硫酸盐低于检测限。但是我们不能排除硫酸盐核的较小质量贡献。以往文献表明硫酸盐核触发成核事件，很可能在卡车追逐过程中小质量存在的硫酸盐已经触发了成核。这个核模态以肩的形式出现在OM粒径分布约30 nm左右，如图3D所示。由于基线不确定，所以图3D中的硫酸盐粒径分布是扭曲的。气动透镜不会透过直径20 nm以下的粒子，因此这些值是不可靠的。

一般来说，我们不能对小于10 nm的粒子做任何结论，因为它们不是我们的测量系统能检测到的。因此，没有观察到核模态的一个可能原因是新形成的粒子太小以至无法检测到。另一方面，众所周知高发动机负荷有利于将燃料硫变成硫酸，因为氧化催化剂在高温更有效地将SO₂氧化成SO₃。因此，除了后处理系统和燃料硫含量，卡车发动机的载荷也在核模态粒子的形成中扮演着重要角色。因为我们的研究重点是测量实际条件下行驶卡车的排放，我们随机选择卡车跟踪，因此没有关于发动机参数的信息，如后处理系统，燃料硫含量，发动机负荷和货车的容量。

最显著的交通影响出现在城市交通(图3C)。这里100 nm左右的有机气溶胶超过200 nm以上的背景气溶胶。由于这些有机粒子的大小与在高速公路上和在单辆客车后面底盘测功其他测量所观察到的大小相同，交通很可能是这些粒子的来源。其他研究使用AMS和其他工具如SMPS对城市颗粒物粒径分布和化学成分的类似观测也有报道。但是，必须指出的是，亚琛市的测量一天只有28分钟因此不能用来代表城市交通平均值。

这些结果有力地表明了外部混合有两种甚至三种粒子类型：背景积聚模态粒子、烟怠模态粒子和核模态粒子。烟怠模态颗粒中含有大量的非耐火材料。我们的数据中不能排除有机颗粒物的小规模其他来源，但卡车后和市中心的数据表明交通是粒径在200 nm以下的有机气溶胶的主要来源。

3.2.2.AMS数据与SMPS数据的比较

由于SMPS完成一次完整的粒径分布扫描需要2分钟，SMPS数据只能在相对稳定的交通状况下才能使用。例如在较长的卡车追逐期间，高速公路背景期间或农村区域道路没有卡车经过的采样期间。图4显示了SMPS和AMS的没有核模态的粒径分布以及有核模态的卡车追逐。

这两种仪器测得的数据不同，因此需要一些转换。AMS测量的是基于真空空气动力直径d_va的质量粒径分布 ，SMPS测量的是基于电迁移率的数浓度粒径分布。为了便于转换，我们假设所有粒子都是球形的，从而得到两者关系：,其中是粒子的无量纲密度。我们将两种仪器的测量结果都转化为体积的电迁移率粒径

分布。对于AMS数据，我们经过以下程序。由于图3所示的结果强烈表明了两种甚至三种的模态混合（背景积聚模态粒子、烟怠模态粒子和核模态粒子),我们用两到三

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[24862]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word