基于单颗粒质谱的太原市大气机动车尾气污染特征

范晓周，樊占春，郭利利，何秋生*

(1.山西省生态环境监测中心，山西 太原 030027；2.太原科技大学环境与安全学院，山西 太原 030024)

大气PM2.5污染引起的城市灰霾问题不仅会降低大气能见度，还会影响人体健康[1]。随着城市机动车保有量的增加，机动车尾气成为PM2.5主要来源之一[2]。评估机动车尾气污染对PM2.5贡献及机动车限行措施的效果，成为城市空气PM2.5污染治理和精细化管理的重点。

1 采样与分析

本研究以太原市环境监测中心站为中心点，监测了太原市2018年12月大气颗粒物PM2.5化学组成。PM2.5质量浓度等污染物数据及气象数据均源于太原市桃园站国控站点(位于监测点的西南方向，直线距离约1.3 km)。12月未限行时段和限行时段的主导风向均为北风。如表1所示，监测期间太原市开展交通管制活动，滨河东路(胜利桥东的南匝道至祥云桥东的北匝道段)和滨河西路(胜利桥西的南匝道至祥云桥西的北匝道段)限行。

表1 限行时间段及限行情况

在线单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS0515，广州禾信分析仪器有限公司)，通可以同时获取单个细颗粒物的粒径大小和化学组成，从而对每个细颗粒物来源的精确判别。SPAMS的工作原理是将采集到的环境空气中气溶胶颗粒进入仪器，在空气动力学透镜的作用下聚焦成为准直颗粒束，在测径区颗粒连续经过两束532 nm测径激光，换算出颗粒的空气动力学直径。颗粒进入电离区后，被266 nm Nd:YAG紫外脉冲激光电离产生正负离子，然后离子被双极型飞行时间质量分析器检测，可得到细颗粒物的正负离子信息。采用自适应共振神经网络算法(adaptive resonance yheory-2a，ART-2a)进行数据处理[3]。

2 结果与讨论

2.1 PM2.5中化学组分特征

基于SPAMS高时间分辨率的特性，结合PM2.5数据，可以得到小时级别的颗粒物源解析结果，统计12月限行时段(表1中的时段2和时段4)与未限行时间段(表1中的时段1、3、5)的数据进行分析。未限行与限行各污染源占比的结果,如第185页图1所示，机动车尾气源平均占比下降2.8%，PM2.5平均质量浓度由未限行时的68.8 μg/m3下降至限行的68.3 μg/m3，总降幅0.5 μg/m3。由尾气源贡献的PM2.5质量浓度下降2 μg/m3(注：17.7%*68.8-14.9*68.3=2)。

结合气象数据来看，限行期间平均相对湿度接近，约为33%，NO2平均浓度由未限行的61.3 μg/m3上涨到限行的77.1 μg/m3，平均风速(1.56 m/s)低于未限行期间(1.9 m/s)，即限行期间的扩散条件相对较差，但限行期间PM2.5平均质量浓度反而出现小幅下降。

图1 12月未限行与限行时段源解析结果对比

2.2 早晚高峰时段的来源贡献

通过对比早晚高峰时段限行与未限行的源解析，结果如图2所示。限行期间机动车尾气源降幅2.9%，对应时段的平均PM2.5质量浓度基本保持不变，由尾气贡献的PM2.5质量浓度值下降2 μg/m3(注：18.2%*68.1-15.3%*68.1=2)。限行对于全天机动车尾气源占比下降幅度(2.8%)与早晚高峰时段尾气占比的降幅(2.9%)接近，可能由于早晚高峰的限行，部分通勤的车辆出现延迟或提早出行，有效地减少了交通堵拥堵，因而减少尾气排放量对PM2.5的贡献。

图2 早晚高峰时段的限行与未限行的源结果对比

通过对比12月早、晚高峰限行与未限行时段的各污染源占比，如图3所示。早高峰时段：机动车尾气源占比由18.7%降至16.6%，降幅2.1%，总PM2.5质量浓度均值由60.7 μg/m3下降至52.5 μg/m3，由尾气贡献的PM2.5质量浓度下降2.7 μg/m3(注：18.7%*60.7-16.6%*52.5=2.7)。结合早高峰期间NO2和风速数据来看，NO2平均浓度由未限行的60.2 μg/m3涨至限行的69.8 μg/m3，平均风速由未限行的1.8 m/s下降至限行的1.5 m/s，可见，虽然限行时的早高峰气象扩散条件相对较差，但总PM2.5质量浓度和由尾气贡献的PM2.5质量浓度仍出现下降，表明早高峰限行有效。

晚高峰时段：机动车尾气源占比由17.6%降至14.5%，降幅3.1%，总PM2.5质量浓度均值由75.8 μg/m3增加至83.7 μg/m3，由尾气贡献的PM2.5质量浓度下降1.2 μg/m3(注：17.6%*75.8-14.5%*83.7=1.2)。结合晚高峰期间的NO2和风速数据来看，NO2平均浓度由未限行的67.1 μg/m3涨至限行的95.8 μg/m3，平均风速由未限行的1.9 m/s下降至限行的1.3 m/s。可见，限行时的晚高峰气象扩散条件相对较差，各污染物累积效果明显，只有尾气源与生物质燃烧源占比下降，其中机动车尾气源占比下降最明显。说明由于气象条件的转差，限行虽未有效降低晚高峰的总PM2.5值，但尾气源明显下降，对遏制PM2.5的大幅增长仍有一定作用。

图3 12月早、晚高峰时限行与非限行时段的各污染源占比

2.3 机动车尾气变化特征

由机动车尾气源占比在未限行与限行时段的变化趋势，如第186页图4所示。机动车尾气源平均占比变化范围在未限行时为14.4%～17.8%，限行时为12%～18.6%，峰值出现在上午11时。限行时段早高峰、晚高峰机动车尾气源占比均明显低于未限行时段。上午10时-13时限行时段机动车尾气源占比明显高于未限行的相同时段，推测由于7时-9时机动车的限行，更多车主选择错峰延后出行引起的。

由未限行与限行时段汽油车与柴油车的24小时平均占比变化对比情况，如第186页图5所示。柴油车尾气源小时平均占比范围在未限行时为63.7%～76.6%，限行时为61.6%～78.3%。汽油车尾气源小时平均占比范围在未限行时为23.4%～36.2%，在限行时为21.7%～38.4%。柴油车尾气的占比明显高于汽油车。分号限行后早晚高峰时段主要表现为柴油车占比的小幅降低，与未限行相比，早高峰9时限行柴油车占比降幅最大6.7%，晚高峰占比降幅最大2.4%，汽油车占比在早晚高峰出现相对的升高。

图4 2018年12月限行与未限行时机动车尾气源24小时变化情况

图5 2018年12月限行与未限行时尾气源精细化解析结果的24小时变化情况

2.4 机动车精细来源贡献

由12月份早晚高峰限行与未限行时段的柴油与汽油车占比的结果，如图6所示。限行期间，柴油车占比下降1.3%，汽油车占比出现相对增长。从质量浓度的数据来看，限行期间由柴油车和汽油车尾气贡献的PM2.5质量浓度出现降低，分别降低1.6 μg/m3和0.5 μg/m3。

图6 12月份早晚高峰限行与非限行时段的柴油与汽油车占比

3 结论

2018年12月限行期间，虽然NO2平均浓度较未限行时段出现上升，但全天机动车尾气源平均占比降低2.8%，总PM2.5平均质量浓度下降0.5 μg/m3，由尾气源贡献的PM2.5质量浓度下降2 μg/m3。限行期间早晚高峰机动车尾气占比下降2.9%，限行后早高峰和晚高峰占比分别下降2.1%和3.1%。虽然限行期间气象条件转差，但早高峰、晚高峰由机动车尾气源贡献的PM2.5质量浓度分别下降2.7 μg/m3和1.2 μg/m3。从机动车尾气源、柴油车与汽油车平均占比的日变化规律来看，限行时段早高峰、晚高峰机动车尾气源占比均低于未限行时段，柴油车尾气的占比高于汽油车。分号限行后早晚高峰时段主要表现为柴油车占比的小幅降低。与非限行时段的早晚高峰相比，限行时段柴油车尾气的相对占比降低1.3%，由柴油车和汽油车尾气贡献的PM2.5质量浓度分别降低1.6 μg/m3和0.5 μg/m3。因此，机动车限行措施对控制PM2.5是有效的。