傳感器在道路交通空氣污染監測中有哪些應用？
【谷騰環保網訊】近年來，環境空氣質量監測方法不斷發展豐富，除了傳統的固定監測站以外，其他智能化監測手段也被廣泛應用。傳感器監測技術具有成本低、小巧輕便、易于部署的特點，結合近年來新材料、微型光源、微機電系統、芯片級計算能力的進步，新型傳感器監測技術在顆粒物和氣態污染物測量方面發展迅速，應用場景極大豐富，可以為現有監測手段提供補充與強化。其中，傳感器移動監測已被用于評估交通產生的空氣污染，可以提供不同時空的線狀監測數據，為大氣污染研究與管理提供了新思路。以出租車、公交車、移動監測車和自行為載體搭載傳感器的研究發展迅速，已在全球各地有所應用。
上海開展出租車隨機路線移動監測
上海市通過在150多輛出租車上搭載顆粒物及氣體傳感器（圖1左）進行空氣質量移動監測。基于出租車的隨機移動路線，此移動監測網絡可以在10天覆蓋上海80%以上的路網，為評估整體交通環境污染提供重要依據。數據顯示，CO在主干道上的濃度最高，而NO2在高速公路上的濃度最高（圖1右）。因為NO2的濃度隨著行車速度的增加而增加，所以在高速公路上占主導地位。CO和NO2在早上五點到八點期間、和下午四點到七點之間的濃度比較高。此外，在2020年2至3月新冠疫情期間這兩種污染物的濃度均降低約30%—50%，這一變化可用于分析城市空氣污染中的道路交通的貢獻比例。然而，值得注意的是，即使在疫情期間，高速公路的NO2濃度還是很高，交通相關的空氣污染（TRAP）仍需要獲得更多關注。
圖1出租車及其檢測設備（左）和NO2小時平均濃度的空間分布（右）
香港開展公交車固定路線移動監測
香港利用公交車的固定移動路線，在10余條公交線路上配備顆粒物及氣體傳感器，覆蓋了約70%的主要交通路段，如圖2左。這種每日固定時間段固定路線的道路監測可提供重復性觀察數據。在九龍半島的海底隧道出入口，可以觀察到較高濃度的NO2路段，如圖2右。因為該隧道是香港最繁忙、最擁擠的隧道，平均每日交通流量大于10萬輛次。移動傳感器的污染監測數據同時包含了高頻與低頻信號，其中高頻信號持續時間以秒—分為單位，低頻信號持續時間以分—小時為單位。數據顯示，不同公交路線的移動監測數據均呈現同樣的低頻信號曲線。原因在于短時高頻信號反映局部交通污染影響，而較長時間的低頻信號反映更廣的城市背景及區域污染影響，形成了移動監測網絡數據的普遍基準。從移動監測數據中提取這一背景濃度基準線有助于進行城市尺度的交通、本地與區域污染貢獻的動態解析。結果表明，香港的PM2.5污染中絕大部分來自于區域性背景污染，而NOx污染中約70%來自于本地交通污染。這一結論將為后期選擇污染控制策略提供理論依據。
圖2選定的公交線路（左）和NO2（mg/m3）的沿線污染分布（右）
奧克蘭開展監測車固定路線移動監測
美國加州的奧克蘭市基于兩輛配備了空氣傳感器和數據集成平臺的移動監測車對市內不同居住區、商業區和工業區內每條道路在工作日白天的黑炭（BC）和NO2濃度進行重復測量，如圖3。監測數據描繪了城市內的污染模式，揭示了工作日白天不同空間尺度污染物濃度的顯著變化。高速公路、主干道和住宅街道這三種主要道路類別的污染物水平差異很大，較繁忙街道和高速公路上的濃度大大高于城市背景水平。就BC而言，高速公路的濃度比居民區街道的濃度高出2.7倍；NO2則高出1.8倍。傳感器移動監測對于空氣污染的空間差異性的把握被認為比傳統測量和模型預測更加精細，可突出顯示局部污染熱點，補充了城市高分辨率的空氣質量數據，從而為污染控制提供新的機遇。
圖3監測設備以及空氣質量地圖
安特衛普開展自行車固定路線移動監測
比利時安特衛普市使用配備了可以測量超細顆粒物（UFP）和黑炭（BC）的氣體傳感器的自行車作為一個移動式空氣質量監測平臺（Aeroflex），對一條長約2公里的固定路線開展空氣質量的移動監測，如圖4左。監測主要在每天上午7點到下午1點之間，在固定的時間段和路線監測提供了重復性的觀察數據。數據顯示，UFP和BC的最高濃度出現在早高峰時段（上午8點），并確定了濃度最高的街道位置，如圖4右。此移動監測識別了排放熱點并補充了城市環境的高分辨率空氣質量數據，為改善固定式空氣質量測量網絡有限的空間分辨率提供了解決方案。
圖4Aeroflex及其監測設備（左）和監測街道的UFP濃度（右）
道路交通是現代城市空氣污染物的主要來源，可使行人和乘車人員暴露于高濃度的空氣污染物中。因此，對于受交通排放影響較大的城市地區，確定道路交通污染排放特征及其對道路或路邊空氣污染物濃度的貢獻，對于確定機動車排放清單和有效管理城市空氣質量具有重要意義。相較于固定路邊或遙感測量，基于傳感器的移動監測可以提供覆蓋整個城市道路網絡的高時空分辨率的監測數據，并為未來更大規模的基于網絡的移動測量奠定了基礎。
作者衷楠系亞洲清潔空氣中心高級環境研究員、王思系亞洲清潔空氣中心環境研究員
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