孫大光 劉 威 劉德敏 鮑秋陽(yáng)

（吉林省環(huán)境科學(xué)研究院 吉林長(zhǎng)春 130012）

引言

近年來(lái)，在全國(guó)PM2.5濃度大幅下降的同時(shí)，臭氧濃度卻總體呈緩慢上升態(tài)勢(shì)。生態(tài)環(huán)境部通報(bào)的“2022 年12 月和1～12 月全國(guó)環(huán)境空氣質(zhì)量狀況”顯示，6 項(xiàng)污染物（PM2.5、PM10、二氧化硫、二氧化氮、臭氧、一氧化碳）中臭氧平均濃度為145μg/m3，同比上升5.8%，其它污染物均下降或同比持平，臭氧已成為空氣質(zhì)量的重要制約因素。為此，生態(tài)環(huán)境部等15 部門(mén)聯(lián)合印發(fā)了《深入打好重污染天氣消除、臭氧污染防治和柴油貨車(chē)污染治理攻堅(jiān)戰(zhàn)行動(dòng)方案》，其中《臭氧污染防治攻堅(jiān)行動(dòng)方案》提出了明確攻堅(jiān)目標(biāo)，即到2025 年，PM2.5和臭氧協(xié)同控制取得積極成效，全國(guó)臭氧濃度增長(zhǎng)趨勢(shì)得到有效遏制，全國(guó)空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良天數(shù)比率達(dá)到87.5%，VOCs、氮氧化物排放總量比2020 年分別下降10%以上。因此，為實(shí)現(xiàn)攻堅(jiān)目標(biāo)，精準(zhǔn)管控臭氧濃度變化，進(jìn)一步強(qiáng)化科技支撐勢(shì)在必行。

移動(dòng)源大氣污染物與臭氧的相關(guān)性研究是有效降低大氣中臭氧濃度的必要前期做法。以吉林省長(zhǎng)春市為例，通過(guò)對(duì)不同交通場(chǎng)景下，機(jī)動(dòng)車(chē)排放的臭氧前體物所轉(zhuǎn)化而來(lái)的臭氧進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析其時(shí)空分布特征，將有助于建立前體物與臭氧的關(guān)聯(lián)性，進(jìn)而從源頭控制機(jī)動(dòng)車(chē)排放的臭氧前體物，為實(shí)現(xiàn)大氣中臭氧濃度降低目標(biāo)提供了科學(xué)的基礎(chǔ)依據(jù)。

1 機(jī)動(dòng)車(chē)污染排放監(jiān)測(cè)方法

目前，研究機(jī)動(dòng)車(chē)污染排放的監(jiān)測(cè)方法主要分為實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和實(shí)際道路測(cè)試。前者包括臺(tái)架測(cè)試；后者包括隧道實(shí)驗(yàn)、遙感測(cè)試和車(chē)載測(cè)試。4 種測(cè)試功能各異、各具優(yōu)勢(shì)，可滿(mǎn)足不同的研究需要[1][2]。

1.1 臺(tái)架測(cè)試

臺(tái)架測(cè)試在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，由研究者控制各種實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性較好，因此臺(tái)架測(cè)試仍然被認(rèn)為是最可靠的確定機(jī)動(dòng)車(chē)排放因子的方法。臺(tái)架測(cè)試的主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)昂貴，且每次測(cè)試只能獲取一輛機(jī)動(dòng)車(chē)的排放數(shù)據(jù)，測(cè)試成本高。

1.2 隧道實(shí)驗(yàn)

隧道實(shí)驗(yàn)通過(guò)在隧道內(nèi)外監(jiān)測(cè)污染物的濃度及根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的車(chē)流參數(shù)，獲得對(duì)應(yīng)車(chē)隊(duì)的平均排放因子水平。隧道實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單易操作，測(cè)試涉及的車(chē)輛樣本數(shù)較多，具有一定代表性，在精度要求不高的情況下，可用來(lái)獲取車(chē)隊(duì)平均排放因子。缺點(diǎn)易是受背景濃度影響，且被測(cè)車(chē)輛的工況單一。

1.3 遙感測(cè)試

遙感技術(shù)是一種非接觸式的光學(xué)測(cè)量手段，可直接測(cè)量行駛中機(jī)動(dòng)車(chē)的尾氣排放，已在歐美等國(guó)家得到了普遍應(yīng)用。遙感測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)是自動(dòng)化程度高，1d 可測(cè)試上萬(wàn)輛機(jī)動(dòng)車(chē)，成為機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣檢測(cè)/維修（I/M）項(xiàng)目及發(fā)現(xiàn)高排放車(chē)的主要手段。遙感測(cè)量的主要缺點(diǎn)是受環(huán)境條件（如風(fēng)速和風(fēng)向）影響，且由于遙感測(cè)試為定點(diǎn)測(cè)試，因此，不能全面反應(yīng)機(jī)動(dòng)車(chē)在各種行駛狀態(tài)下的排放。

1.4 車(chē)載測(cè)試

道路車(chē)載測(cè)試系統(tǒng)被直接安置在行駛中的機(jī)動(dòng)車(chē)內(nèi)，逐秒采集機(jī)動(dòng)車(chē)行駛特征參數(shù)和污染物排放速率，為研究者提供了大量的可真實(shí)反應(yīng)機(jī)動(dòng)車(chē)瞬態(tài)行駛狀況和排放的數(shù)據(jù)。

本研究采用隧道實(shí)驗(yàn)+車(chē)載測(cè)試開(kāi)展監(jiān)測(cè)工作。

2 監(jiān)測(cè)要素的確定

機(jī)動(dòng)車(chē)臭氧的道路監(jiān)測(cè)原則應(yīng)是最大限度地還原由機(jī)動(dòng)車(chē)排放的臭氧前體物所生成的臭氧，最大程度地去除由固定源或其它源產(chǎn)生的影響。

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的選取

綜合考慮長(zhǎng)春市城區(qū)的道路布局及交通狀況，分別選取有代表性的路況情境，以涵蓋不同交通狀況下機(jī)動(dòng)車(chē)的污染物排放情況及臭氧的生成情況。為此，選取不同車(chē)速狀態(tài)下的道路環(huán)境及隧道環(huán)境做為典型情境加以研究。

機(jī)動(dòng)車(chē)低速狀態(tài)下的道路交通環(huán)境選取南湖廣場(chǎng)，南湖廣場(chǎng)是市內(nèi)大型的交通環(huán)島，早晚高峰期，機(jī)動(dòng)車(chē)較為集中且車(chē)行緩慢。機(jī)動(dòng)車(chē)正常速度狀態(tài)下的道路交通環(huán)境選取前進(jìn)大街，前進(jìn)大街做為長(zhǎng)春市的主要交通干線(xiàn)，能夠代表正常車(chē)速下的車(chē)流狀況。隧道環(huán)境選取衛(wèi)星路隧道做為代表性監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，衛(wèi)星路隧道同樣位于交通主干道，能夠保證車(chē)流密度。

典型路況情境下的監(jiān)測(cè)設(shè)備布置，應(yīng)盡量靠近機(jī)動(dòng)車(chē)道，可設(shè)置在道路兩邊的人行步道上；盡量遠(yuǎn)離高大植物，特別是楊樹(shù)和柳樹(shù)，這兩種樹(shù)排出萜烯類(lèi)物質(zhì)比其它常見(jiàn)樹(shù)種多，而萜烯類(lèi)物質(zhì)在光照強(qiáng)度大的情況下會(huì)轉(zhuǎn)化為臭氧，影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；盡量避開(kāi)產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)物的場(chǎng)所，如汽車(chē)修配廠及道路周邊新建的塑膠操場(chǎng)等，特別是應(yīng)避開(kāi)修路工程現(xiàn)場(chǎng)，減少由此轉(zhuǎn)化而來(lái)的臭氧對(duì)數(shù)據(jù)的影響。

2.2 監(jiān)測(cè)時(shí)間點(diǎn)的選取

根據(jù)前期研究分析結(jié)論，一年四季當(dāng)中臭氧濃度的高低排序?yàn)橄募荆敬杭荆厩锛荆径?。為最大限度涵蓋不同季節(jié)臭氧的變化情況，綜合氣象因素及其它不可控因素，各選取夏季（8 月份）和秋季（10 月份）滿(mǎn)足相關(guān)條件的1d，做為本次研究的監(jiān)測(cè)時(shí)間點(diǎn)。具體日期的確定還應(yīng)考慮工作日與節(jié)假日車(chē)流量變化情況，因此為了數(shù)據(jù)能夠具有較為廣泛的代表性，選取正常工作日做為監(jiān)測(cè)日開(kāi)展監(jiān)測(cè)。

2.3 監(jiān)測(cè)時(shí)間段的設(shè)定

為便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析及規(guī)律總結(jié)，結(jié)合交通流的變化情況（特別是早晚交通高峰期），確定監(jiān)測(cè)日內(nèi)6:00～18:00 每小時(shí)收集1 組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并確保數(shù)據(jù)的連續(xù)性，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析能夠充分體現(xiàn)變化規(guī)律。

2.4 氣象條件要求

根據(jù)氣象條件對(duì)臭氧生成及變化的影響情況，選取太陽(yáng)輻射條件好，較低風(fēng)速、非陰雨天、非雷雨天，做為典型監(jiān)測(cè)日，開(kāi)展監(jiān)測(cè)。

2.5 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的確定

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目共計(jì)選取11 項(xiàng)，包括3 類(lèi)。其中，環(huán)境空氣質(zhì)量常規(guī)指標(biāo)8 項(xiàng)（PM2.5、PM10、NO、NO2、氮氧化物、二氧化硫、一氧化碳、臭氧）；大氣環(huán)境管理經(jīng)常涉及指標(biāo)3項(xiàng)（甲醛、非甲烷、總烴）。

3 監(jiān)測(cè)日的氣象狀況

3.1 夏季監(jiān)測(cè)日

晴轉(zhuǎn)多云，西南風(fēng)，風(fēng)向角度241°，風(fēng)力3～4 級(jí)，風(fēng)速17km/h，全天氣溫18～28℃，氣壓值978，降雨量0mm，相對(duì)濕度74%，能見(jiàn)度24km，紫外線(xiàn)指數(shù)8。日出時(shí)間4:35，日落時(shí)間18:52，月出時(shí)間18:04，月落時(shí)間2:49。

3.2 秋季監(jiān)測(cè)日

多云轉(zhuǎn)晴，西北風(fēng)，風(fēng)向角度307°，風(fēng)力1～2 級(jí)，風(fēng)速9km/h，全天氣溫-2～9℃，氣壓值996，降雨量0mm，相對(duì)濕度57%，能見(jiàn)度25km，紫外線(xiàn)指數(shù)3，日出時(shí)間5:55，日落時(shí)間16:53，月出時(shí)間21:43，月落時(shí)間13:54。

4 臭氧與臭氧前體物數(shù)據(jù)分析

4.1 臭氧與時(shí)間的相關(guān)性

4.1.1 日內(nèi)的變化情況

4.1.1.1 夏季

3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位日內(nèi)臭氧變化曲線(xiàn)相似性高，均顯現(xiàn)為自7:00 開(kāi)始，隨著溫度和光照強(qiáng)度升高，以及早高峰的到來(lái)，臭氧濃度逐漸升高；至15:00 達(dá)到峰值后下降；16:00 后，雖然光照強(qiáng)度降低，但臭氧濃度仍維持在較高水平。具體情況如圖1 所示。

4.1.1.2 秋季

3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位日內(nèi)臭氧變化曲線(xiàn)相似性高，總體趨勢(shì)仍顯現(xiàn)為自7:00 開(kāi)始，隨著溫度和光照強(qiáng)度升高，以及早高峰的到來(lái)，臭氧濃度逐漸升高；14:00 達(dá)到峰值；14:00～16:00 臭氧濃度維持在較高水平，小幅波動(dòng)；16:00 后，濃度下降較快；17:00 后，由于交通晚高峰的到來(lái)，臭氧濃度有小幅增長(zhǎng)。具體情況如圖1 所示。

4.1.2 季節(jié)的變化情況

夏季與秋季，臭氧的變化趨勢(shì)基本保持一致，均顯現(xiàn)為自7:00 開(kāi)始臭氧濃度逐漸升高，午后逐漸降低。夏季臭氧濃度均值相對(duì)于秋季各時(shí)段均偏高，且上升及下降幅度均較為明顯，其主要原因應(yīng)為夏季氣溫高，且太陽(yáng)輻射強(qiáng)，光照時(shí)間長(zhǎng)。

4.2 臭氧與空間的相關(guān)性

3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位臭氧濃度變化趨勢(shì)保持一致，數(shù)據(jù)值相對(duì)接近，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、表2、表3。

表1 南湖廣場(chǎng)臭氧高峰時(shí)段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(單位：mg/m3)

表2 前進(jìn)大街臭氧高峰時(shí)段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(單位：mg/m3)

表3 衛(wèi)星路隧道臭氧高峰時(shí)段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(單位：mg/m3)

4.2.1 南湖廣場(chǎng)與前進(jìn)大街

臭氧濃度值相對(duì)接近，是由于光照強(qiáng)度一致，且臭氧前體物生成條件較為一致，濃度值接近造成的。

4.2.2 衛(wèi)星路隧道

臭氧濃度值相對(duì)于南湖廣場(chǎng)與前進(jìn)大街低，分析可能是由于隧道內(nèi)光照強(qiáng)度低，臭氧前體物光化學(xué)反應(yīng)較弱造成。

由以上分析可知，光照強(qiáng)度與臭氧濃度值呈正相關(guān)性。

4.3 臭氧與其它指標(biāo)的相關(guān)性

4.3.1 南湖廣場(chǎng)

機(jī)動(dòng)車(chē)在低速行駛狀態(tài)下，臭氧與氮氧化物有弱相關(guān)性，與其它監(jiān)測(cè)項(xiàng)目在數(shù)值無(wú)相關(guān)性，詳見(jiàn)圖2。

圖2 南湖廣場(chǎng)夏（左）秋（右）兩季監(jiān)測(cè)項(xiàng)目相關(guān)性

4.3.2 前進(jìn)大街

機(jī)動(dòng)車(chē)在正常行駛狀態(tài)下，臭氧與PM10存在弱相關(guān)性，與其它監(jiān)測(cè)項(xiàng)目在數(shù)值無(wú)相關(guān)性，詳見(jiàn)圖3。

圖3 前進(jìn)大街夏（左）秋（右）兩季監(jiān)測(cè)項(xiàng)目相關(guān)性

4.3.3 衛(wèi)星路隧道

機(jī)動(dòng)車(chē)排放的污染物在相對(duì)獨(dú)立的空間內(nèi)，臭氧與PM10存在強(qiáng)相關(guān)性，與其它監(jiān)測(cè)項(xiàng)目在數(shù)值無(wú)相關(guān)性，詳見(jiàn)圖4。

圖4 衛(wèi)星路隧道夏（左）秋（右）兩季監(jiān)測(cè)項(xiàng)目相關(guān)性

5 科研管理建議

5.1 建立本地化移動(dòng)源VOCs 成分譜

目前，長(zhǎng)春市尚未建立本地化的移動(dòng)源VOCs成分譜，而移動(dòng)源VOCs 成分譜是計(jì)算臭氧生成潛勢(shì)（OFP）的關(guān)鍵要素，如不掌握臭氧生成潛勢(shì)及臭氧生成過(guò)程中提供主要貢獻(xiàn)的VOCs 種類(lèi)，后續(xù)的監(jiān)管與協(xié)同控制則無(wú)從談起。因此，應(yīng)及時(shí)建立起本地化的移動(dòng)源VOCs 成分譜，為機(jī)動(dòng)車(chē)臭氧前體物排放管理提供直接依據(jù)。

5.2 開(kāi)展本地化的移動(dòng)源大氣污染物與臭氧關(guān)聯(lián)性研究

移動(dòng)源（機(jī)動(dòng)車(chē)）排放的NOx和VOCs 形成臭氧的光化學(xué)反應(yīng)機(jī)制復(fù)雜。前體物VOCs 的來(lái)源復(fù)雜，種類(lèi)多，不同官能團(tuán)活性差異大，精準(zhǔn)控制的難度大。VOCs 成分譜中各物種濃度變化呈非線(xiàn)性，與臭氧濃度的相關(guān)性呈現(xiàn)不同階段不同相關(guān)性，不合理地削減臭氧前體物排放，可能會(huì)導(dǎo)致局地臭氧濃度升高。因此，基于本地氣象特點(diǎn)及交通路況，進(jìn)行移動(dòng)源排放的大氣污染物與臭氧關(guān)聯(lián)性研究，有助于建立精準(zhǔn)的防控措施，提升協(xié)同控制效率。

5.3 臭氧污染預(yù)報(bào)體系的構(gòu)建

2022 年8 月，陜西省出臺(tái)《環(huán)境空氣臭氧預(yù)報(bào)技術(shù)指南》（簡(jiǎn)稱(chēng)《技術(shù)指南》），這是國(guó)內(nèi)首例環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)技術(shù)地方標(biāo)準(zhǔn)[3]?！都夹g(shù)指南》給出了環(huán)境空氣臭氧預(yù)報(bào)方案、工作流程、多模式臭氧預(yù)報(bào)及結(jié)果評(píng)估與優(yōu)選、人工訂正、預(yù)報(bào)會(huì)商、信息記錄和報(bào)送、預(yù)報(bào)工作持續(xù)改進(jìn)的內(nèi)容及相關(guān)要求?！都夹g(shù)指南》的出臺(tái)首次全面規(guī)范了臭氧人工預(yù)報(bào)流程。

長(zhǎng)春市可借鑒陜西省的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合地方特點(diǎn)，構(gòu)建環(huán)境空氣臭氧預(yù)報(bào)體系，同時(shí)，建議在本地化的臭氧預(yù)報(bào)體系中，將移動(dòng)源（機(jī)動(dòng)車(chē)）對(duì)臭氧的貢獻(xiàn)率納入預(yù)報(bào)結(jié)果生成過(guò)程，并體現(xiàn)在結(jié)果中。

5.4 開(kāi)展移動(dòng)源排放總量區(qū)域控制研究

通過(guò)對(duì)區(qū)域內(nèi)各類(lèi)移動(dòng)源（機(jī)動(dòng)車(chē)）的數(shù)量、燃料類(lèi)型等要素的優(yōu)化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)氮氧化物、顆粒物、VOCs 的區(qū)域總量控制目標(biāo)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)臭氧產(chǎn)生量的減少。

結(jié)論

采用隧道實(shí)驗(yàn)+車(chē)載測(cè)試的模式，選取3 個(gè)典型位置開(kāi)展臭氧及其相關(guān)指標(biāo)（共計(jì)13 項(xiàng)）的監(jiān)測(cè)工作，通過(guò)數(shù)據(jù)分析得出結(jié)論。①3 個(gè)機(jī)動(dòng)車(chē)點(diǎn)位臭氧濃度日內(nèi)變化曲線(xiàn)具有較高相似性。②夏季臭氧濃度均值相對(duì)于秋季，各時(shí)段均偏高。③3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位臭氧濃度變化趨勢(shì)保持一致，數(shù)據(jù)值相對(duì)接近。④機(jī)動(dòng)車(chē)在低速行駛狀態(tài)下，臭氧與氮氧化物有弱相關(guān)性；機(jī)動(dòng)車(chē)在正常行駛狀態(tài)下，臭氧與PM10存在弱相關(guān)性；機(jī)動(dòng)車(chē)排放的污染物在相對(duì)獨(dú)立的空間（隧道）內(nèi)，臭氧與PM10存在強(qiáng)相關(guān)性。⑤非道路移動(dòng)源臭氧濃度日內(nèi)變化曲線(xiàn)與機(jī)動(dòng)車(chē)變化曲線(xiàn)基本保持一致。