Picarro氨氣分析儀——研究本地交通源和背景源對大氣氨貢獻(xiàn)的移動測量方法
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2024.120523
標(biāo)題：Mobile measurement background quantification methods for determining local traffic emissions and background source contributions to ammonia
期刊：Atmospheric Environment
影響因子：5.2
發(fā)表時間：2024年
作者：Weiwei Pu, Yingruo Li, Di He, Fan Dong, Jin Wu, Xiangxue Liu, Yulu Qiu, Shuangshuang Ge, Zhiqiang Ma
前言
氨氣在大氣化學(xué)過程中起著關(guān)鍵作用，在大氣中能和硫酸和硝酸快速反應(yīng)，從而提高環(huán)境中細(xì)顆粒物（PM2.5）的水平。由于其對人類和環(huán)境的重大影響，氨已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注。
氨氣的排放因地區(qū)不同變化很大，并且在局部尺度上也能表現(xiàn)出較高的空間變異性。盡管農(nóng)業(yè)在全球范圍內(nèi)的人為氨排放總量中占主導(dǎo)地位，但越來越多的研究表明，道路氨排放在城市地區(qū)具有重要作用。然而，在不同的空間尺度上，交通源對氨氣排放的確切貢獻(xiàn)仍不清晰，尤其是在人口密集的地區(qū)。由于氨的粘性，移動測量的信號不會隨著排放相對于其他污染物（如CO和CO2）的波動而迅速變化，這使得對車輛氨貢獻(xiàn)的估計更具有挑戰(zhàn)性。不適當(dāng)?shù)谋尘岸糠椒赡軙?dǎo)致在測量過程中對氨氣濃度的低估或高估，并影響對車輛氨排放的估計。因此，迫切需要一種高空間、時間分辨率的測量和合適的背景提取方法來估計車輛排放對氨的貢獻(xiàn)，并據(jù)此制定有效的氨氣法規(guī)。
這項研究的主要目的是比較各種數(shù)據(jù)處理方法，并選擇最合適的方法來表征局部和背景濃度信號的可變性。然后利用該方法，通過白天和夜晚的移動測量，研究了交通和非交通相關(guān)的氨氣源對不同信號值的影響。
研究方法
研究中設(shè)計了移動夜間和日間的監(jiān)測用以獲得2021年3月25日和26日北京地區(qū)氨氣濃度的空間分布。如下圖所示，采樣路線包括二、三、四環(huán)路以及東北和西南部至郊區(qū)（平谷區(qū)，PG）和河北省的路線。移動實驗室是一輛經(jīng)過改裝的廂式貨車，配備了一套儀器，包括Picarro G2103 NH3分析儀和G2401 CO2/CO/CH4分析儀。
采樣入口對于道路移動監(jiān)測的數(shù)據(jù)質(zhì)量具有重要意義。氣態(tài)污染物的采樣口位于貨車中間的頂部，離地面大約2米，以減少對貨車尾氣的采集。同時，入口向后傾斜，以減少逆風(fēng)和來自平臺前方車輛排氣的影響。
研究中還使用了北京地區(qū)的一個城市站和背景站的監(jiān)測數(shù)據(jù)用以對比。其中城市站位于北京市區(qū)西北部的北京市氣象服務(wù)中心（BMS）的樓頂。背景站即上甸子區(qū)域大氣本底站（SDZ），位于華北平原和燕山山脈的過渡區(qū)域，是中國區(qū)域本底站之一，也是一個區(qū)域性的全球大氣觀察站。SDZ站的大氣污染水平可以來表示華北經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)大氣污染物的背景濃度。
BMS、SDZ站點和平谷區(qū)的位置以及基于2016年中國多分辨率排放清單（MEIC）的氨氣排放分布情況
研究結(jié)果
污染期氨氣的時空特征
為了加強(qiáng)對北京氨氣水平的理解，于2021年3月在城市和背景站同時收集了氨氣測量數(shù)據(jù)。城市和背景地區(qū)的月平均氨氣濃度分別為30.1±17.1 ppb和13.3±5.7 ppb。北京經(jīng)歷了4次氨污染事件，并表現(xiàn)出明顯的周期性變化，污染周期為5-10天。
在3月25日和26日進(jìn)行了夜間和日間的移動測量，選擇了寬闊的主干道進(jìn)行采樣，以減少微尺度湍流和氣象干擾對狹窄道路的復(fù)雜影響。在3月25日的移動采樣過程中，NH3、CO2、CO和CH4的平均濃度分別為34.1±8.0 ppb，477.5±26.8 ppm，0.7±0.4 ppm和2.4±0.2 ppm。在南風(fēng)的影響下，北京的污染逐漸發(fā)展。3月26日上午，城市地區(qū)和背景地區(qū)的每小時氨氣濃度分別迅速增加到88.0 ppb和26.1 ppb。此外，于3月26日9:30至13:20從北京東北部到河北進(jìn)行了空間帶采樣，這天的NH3、CO2、CO和CH4的平均濃度分別為83.4±19.3 ppb，518.2±55.1 ppm，1.3±0.5 ppm和2.6±0.2 ppm?？傮w而言，夜間和白天的測量期間，城區(qū)（五環(huán)路內(nèi)）的道路氨濃度高于BMS站點，這表明車輛排放在夜間-白天均為氨氣的一大重要來源。
在環(huán)線和帶狀觀測過程中，氨氣背景濃度從21.8 ppb增加到73.9 ppb，3月25日和26日的平均濃度分別為28.1和66.6 ppb。北京位于華北平原的北部，那里的農(nóng)業(yè)是氨氣排放的最大貢獻(xiàn)者，3月26日較高的本底濃度可能與華北平原的南風(fēng)將農(nóng)業(yè)排放向北輸送有關(guān)。
移動測量中各氣態(tài)污染物的時間序列
移動測量的氣態(tài)污染物的空間分布如下圖所示，日間測量結(jié)果顯示，沿線有明顯的氨氣濃度梯度，在四環(huán)路區(qū)域內(nèi)有顯著增強(qiáng)（增加約36.9%）。梯度表明，車輛氨排放顯著集中在人口密集地區(qū)。但夜間分布不同，四環(huán)路地區(qū)和公路氨增強(qiáng)較高，增加約26.7%。從市區(qū)到平谷區(qū)的路線上，總體氨濃度高于城區(qū)（五環(huán)區(qū)域內(nèi)）。從2:50到7:02，北京夜間溫度低于10℃，這不利于來自農(nóng)業(yè)源的氨氣排放擴(kuò)散。然而值得注意的是，當(dāng)交通源CO2和CO水平增加時，氨氣濃度要高得多，而農(nóng)業(yè)源CH4濃度仍然較低。因此，從城市到郊區(qū)的氨氣水平較高可能歸因于交通建設(shè)。在這兩條測量路線上，氨氣和交通相關(guān)的氣態(tài)污染物具有較高的相關(guān)性。氨氣和車輛示蹤劑之間的關(guān)系表明，交通源對氨氣的增加占主導(dǎo)地位。
3月25日和26日的NH3、CO2、CO和CH4的空間分布
背景和本地排放的貢獻(xiàn)
根據(jù)排放清單，農(nóng)業(yè)（如牲畜和化肥）主導(dǎo)全國人為氨的總濃度（83.4%），而車輛氨排放的貢獻(xiàn)是不顯著的（0.9%）。然而，道路車輛的氨排放可能被低估了，特別是在特大城市。即使是在施肥期間，車輛排放也可能是北京城市中氨氣的主要來源。
除了車輛和農(nóng)業(yè)排放以外，北京還受到廢棄物、燃煤和發(fā)電廠造成的氨氣污染。而盡管當(dāng)?shù)亟煌ㄅ欧棚@著影響氨氣水平，但在城市規(guī)模中，背景濃度仍然是氨氣濃度的最大貢獻(xiàn)者，在這項研究中平均為72.6%。在高度城市化的地區(qū)，道路氨和NOX共同排放，可能遵循比農(nóng)業(yè)氨排放更有效的途徑來形成顆粒物。作為城市地區(qū)NOX和氨氣排放的主要貢獻(xiàn)者，控制車輛NOX和氨氣排放的有效戰(zhàn)略可能有助于減輕人口密集地區(qū)的PM2.5污染。
總結(jié)
在該研究中，通過對2021年3月的一次污染事件進(jìn)行的夜間和日間的移動測量，探索了背景濃度估計的常用數(shù)據(jù)處理策略，并計算了北京城市中車輛的貢獻(xiàn)。氨氣夜間和日間的空間分布有所不同，但車輛排放對于全天都是一個重要的來源。在污染累積過程中，車輛的貢獻(xiàn)增加到27.4%，盡管當(dāng)?shù)亟煌ㄅ欧棚@著影響了氨氣水平，但背景濃度，仍然是城市規(guī)模內(nèi)氨氣的最大貢獻(xiàn)者。這項研究對旨在減少人口密集城市地區(qū)污染的地方和區(qū)域氨氣控制策略具有啟示意義。
