欧洲高分辨率刹车磨损颗粒物化学组分建模：铜污染的空间分布与健康影响

随着欧洲车辆尾气排放法规日益严格，非尾气排放（如刹车磨损）对大气颗粒物(PM)的贡献显著增加。本研究通过整合CAMx化学传输模型与随机森林算法，首次实现了欧洲大陆250米分辨率铜(Cu)浓度的高精度模拟。基于152个站点超5万条观测数据，模型揭示了刹车磨损PM与城市化、路网密度的空间关联性，发现超过1200万欧洲居民暴露于超标Cu浓度。研究成果为EURO 7标准中刹车磨损PM10限值制定提供了关键科学依据。

　　

在欧洲空气质量持续改善的背景下，一个被忽视的污染源正悄然崛起——刹车磨损产生的金属颗粒。随着尾气排放控制日趋严格，非尾气排放对大气颗粒物(PM)的贡献率从20%飙升至60%，其中刹车磨损释放的铜(Cu)因其强氧化潜力和健康风险备受关注。然而，现有监测网络难以捕捉这种污染的高度空间异质性，而传统化学传输模型又受限于计算精度。这种认知空白使得1200万欧洲居民长期暴露在未知的健康风险中，亟需高分辨率暴露评估工具。

由瑞士保罗谢勒研究所领衔的国际团队在《Environment International》发表突破性研究。该团队创新性地将化学传输模型(CAMx)与机器学习结合，首次构建了欧洲250米分辨率的刹车磨损Cu污染图谱。通过整合TNO排放清单、WRF气象数据和152个监测站点超5万条观测记录，开发的随机森林(RF)模型成功将CAMx的模拟精度提升70%，空间分辨率提高50倍。

关键技术方法包括：1) 基于COPERT模型的刹车磨损Cu排放清单；2) CAMx v6.5模拟12km网格的Cu传输；3) 融合人口密度、不透水面(IMD)等250米分辨率土地利用数据；4) 使用SHAP值解析特征重要性。研究队列涵盖欧洲28国2010-2019年大气化学监测数据。

【CAMx预测结果】
初始模拟显示Cu浓度在波河谷地、西北欧城市群高出农村3-8倍，但与观测值存在7倍低估。这种偏差随浓度升高而加剧，反映出现有排放清单对刹车磨损的量化不足。

【RF模型性能】
通过校正CAMx输出与观测值的对数比，RF模型在未见站点验证中使Pearson相关系数从0.43提升至0.58。特征重要性分析揭示不透水面密度(IMD)和三级道路密度是主导因子，印证了刹车磨损与城市交通的强关联。

【空间分布特征】
2019年高分辨率图谱显示：米兰-博洛尼亚-里米尼公路走廊的Cu浓度达45ng/m³，相当于1μg/m³刹车磨损PM_{10。令人惊讶的是，尽管PM2.5整体下降，伦敦等城市Cu浓度十年间反升14ng/m³。}

【时间变化规律】
周末Cu浓度较工作日降低25-37%，冬季比夏季高30%。这种变化主要受交通流量和边界层高度(PBLH)调控，但地中海城市季节性波动较弱，反映气象影响的区域差异。

【健康暴露评估】
人口加权浓度显示意大利(18.3ng/m³)、比利时(16.7ng/m³)风险最高。40ng/m³的Cu暴露阈值对应900ng/m³刹车磨损PM₁₀，其中氧化应激物质铁(Fe)占比达90%。

这项研究开创性地解决了非尾气污染监测的"最后一公里"难题。通过机器学习赋能传统模型，团队不仅揭示了刹车磨损PM的精细分布规律，更构建了评估EURO 7标准实施效果的关键工具。值得注意的是，电动汽车的普及可能加剧该问题——因其重量增加20-25%导致刹车磨损上升。研究成果为城市规划中的"低排放区"划定提供了新维度，提示需要将重金属组分纳入PM健康风险评估体系。未来需扩大东欧监测网络，并开展Sb、Zn等多元素同步建模，以全面揭示非尾气排放的健康影响机制。