随着工业化、城市化进程的高速发展,我国大气污染的特征正在发生本质性的变化,各发达城市群普遍形成了煤烟型和尾气型污染共存的复合型大气污染特征;大气氧化能力不断增强,导致灰霾和夏秋季节光化学烟雾等区域性大气污染频发,大气臭氧浓度以全球最快速度增长。近年来,区域性大气污染问题发生频率之高,影响范围之大,污染程度之重,在世界范围内都是少见的,严重威胁人民群众的身体健康和生态安全,直接推动了我国新的《环境空气质量标准》出台和各城市开展PM2.5监测的进程。其中,机动车已经成为我国主要城市大气污染的首要来源,对大气细颗粒和人群健康具有显著贡献。因此,深入了解机动车污染物排放特征,准确把握机动车污染物排放的分布及分担,精确判断机动车对大气污染的潜在影响和贡献程度,对于目前迫在眉睫的大气复合污染防治工作具有重要的支撑作用。本文从机动车污染物排放特征实测出发,深入探讨了发动机工况、燃油质量、车辆类型对各污染物排放的影响,根据实测建立了机动车污染物活性排放清单,并研究了机动车污染物排放对大气有机气溶胶污染的潜在贡献。取得的成果及结论如下: (1)本文对一台国Ⅲ车用柴油机的气态污染物和超细颗粒物在不同工况和燃油质量条件下的排放特征进行了试验研究,研究发现柴油机在最佳工作转速范围内(1500~2100r·min-1)的气态污染物和超细颗粒物排放浓度最低,高负荷状态下,各类污染物浓度均呈现恶化趋势。在低转速、低负荷状态下,核模态颗粒的比重相对更高,此时发动机工作温度较低,有利于硫酸盐等颗粒的成核。高转速、高负荷状态下,缸内局部出现高温缺氧区域,使碳黑颗粒大量增加,并导致积聚模态颗粒大幅上升。燃用沪Ⅳ柴油使颗粒物数浓度相比国Ⅱ柴油平均下降约33%左右,其中,积聚模态颗粒下降32%左右,核模态颗粒下降约34%左右,颗粒呈单模态分布特征。高转速、低负荷下油品减排效果最大,平均降低约56%。 (2)基于车载测试系统(Portable Emission Measurement System,PEMS),对机动车在不同的道路条件下的气态污染物和超细颗粒物排放特征进行了研究,获得了柴油公交车、轻型柴油车和轻型汽油车在不同道路类型上行驶的排放因子。通过进一步分析行驶工况对机动车排放的影响发现,车辆在高负荷状态下的气态污染物和超细颗粒物排放均处于高值,在公交车实际行驶状态下,发动机长期处于低转速、低负荷运行状态,排放水平显著高于排放标准规定的发动机最佳工作区域,使机动车实际道路排放水平普遍高于相应的排放标准限值。 (3)利用转鼓实验对26辆机动车尾气挥发性有机物(Volatile Organic Compounds,VOCs)进行了采样和分析,获得了VOCs成分谱特征。研究发现出租车、轻型客车和摩托车等汽油车型的VOCs排放及其大气反应活性最强,对大气光化学的贡献最为重要,其中最为关键的物种为二甲苯、甲苯等芳香烃物质以及C2~C4的小分子烯烃,因此进一步改善车用油品质量,降低芳烃和烯烃含量,对于遏制大气光化学污染具有十分重要的意义。 (4)建立了上海市机动车污染物活性排放清单,并研究了各车型的污染物排放分担率及其时空分布特征。本文还比较了机动车与其他污染源的排放分担率,确定了机动车对上海市大气污染物排放的分担率在10%~43%之间,而中心城区的机动车排放分担率可高达25%~81%,对城区大气污染物具有十分显著的影响。 (5)基于大气复合污染综合观测站的在线观测,研究了上海市大气细颗粒污染的总体水平和特征。上海市大气中有机气溶胶的年均浓度在15.1μg·m-3左右,约占PM2.5的25%~44%,平均为30%。冬季颗粒物中的OC/EC值普遍高于夏季,说明冬季污染气团相对老化,二次有机气溶胶(Secondary Organic Aerosol,SOA)贡献相对较高。根据比值法对各污染过程的SOA贡献率的测算分析,冬、夏、秋三季的SOA生成贡献分别占到有机颗粒浓度的59±10%、52±17%和69±11%,以及PM2.5浓度的17±5%、17±7%和25±7%,。各类机动车前体物中,甲苯、间,对-二甲苯和苯的SOA生成贡献尤为突出。比较各车型的SOA生成潜势可以发现,汽油车对SOA的贡献最为突出,在昼间8h的光化学反应贡献下,汽油车有机气溶胶浓度可净增达7.6倍,几乎全部为SOA;柴油车在8h光化学年龄时对应的SOA净增率为24%,其中SOA占有机颗粒的比重可达到23%。 (6)利用机动车对SOA产率计算方法模拟研究了冬、夏、秋三季的有机气溶胶污染过程,研究发现机动车是造成各季节大气中有机气溶胶污染物的重要来源。从不同车型的SOA生成贡献来看,轻型客车的SOA生成贡献最为显著,其次为重型货车。相比其一次排放量新增了约28%,说明机动车对大气气溶胶污染的实际影响显著高于其一次排放贡献。从车型分担率来看,若考虑SOA生成潜势,轻型客车的颗粒物排放分担可由原来的1.5%上升至14.5%。芳香烃等VOCs组分的大量排放是机动车SOA生成的重要前体物,有效控制机动车的芳香烃排放可对降低其有机气溶胶生成贡献,改善大气细颗粒污染现状,起到至关重要的作用。
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