《Journal of Hazardous Materials》：Reconciling mass and number emissions through particle size: Implications for urban ultrafine particle modelling
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超细颗粒物（UFPs）以颗粒物数浓度（PN）而非颗粒物质量（PM）来表征更为合适，因为其数量丰富但对PM质量贡献甚微。其在呼吸道（包括肺泡区域）中的高效沉积使其与暴露和剂量评估尤为相关[1–4]。这在城市中尤为重要，因为交通仍是UFP的主要来源[5,6]。已报
超细颗粒物（UFPs）以颗粒物数浓度（PN）而非颗粒物质量（PM）来表征更为合适，因为其数量丰富但对PM质量贡献甚微。其在呼吸道（包括肺泡区域）中的高效沉积使其与暴露和剂量评估尤为相关[1–4]。这在城市中尤为重要，因为交通仍是UFP的主要来源[5,6]。已报道的与心肺及神经结局的关联进一步支持了基于PN的暴露评估需求[7,8]。
PN浓度和排放已获得日益增长的监管重要性。修订后的《欧洲环境空气质量指令》[9]要求在可能发生高浓度的选定地点进行颗粒物数浓度的固定测量。与此同时，欧洲车辆法规引入了型式认证的固体PN限值，历史上覆盖大于23 nm的颗粒，而PN测量越来越多地用于定期技术检验，以识别装有缺陷或篡改颗粒物过滤器的超标排放车辆[10]。
排放清单传统上围绕颗粒物质量开发，反映了空气质量法规和报告框架长期以来对PM10和PM2.5的关注。尽管EMEP/EEA指南和COPERT提供了颗粒物数浓度排放因子[11]，尤其是按车辆类型划分的大于23 nm固体颗粒，但空间和部门解析的PN清单仍远不如基于质量的清单常见。近期进展，如EASVOLEE项目[12]，已开始通过按车辆类型开发道路交通PN排放清单来弥补这一差距，包括解析至约10 nm以下粒径档的排气PN排放。小于10 nm的颗粒也可能对交通相关PN产生显著贡献[3,13]。在车辆尾气快速稀释和冷却过程中，硫酸等气态前体物可发生成核，而低挥发性有机化合物可通过冷凝促进颗粒生长[10]。已在车辆尾气中观测到非挥发性亚10 nm颗粒，包括碳质颗粒及与润滑油衍生金属相关的颗粒[10,14]。
在缺乏明确PN排放的情况下，模拟UFP浓度的实用方法是从可获得的PM质量排放中推断粒径解析的颗粒物排放。例如，可通过估算各活动部门的PM1和PM0.1比例并规定代表性的排放粒径分布，将质量转换为数浓度[15,16]。此类基于质量的方法已成功应用于模拟欧洲及巴塞罗那[17]和大巴黎[16,18,19]等城市区域的PN浓度。
然而，将PN排放因子整合到基于质量的排放清单中并非易事。颗粒物质量和颗粒物数浓度对应同一排放粒径分布的不同矩，因此在没有粒径假设的情况下不能独立规定。由于质量与dp3成比例（其中dp为颗粒粒径），质量强烈偏向最大颗粒，而数浓度对最小颗粒更为敏感。在[15]中，PN排放通过规定的粒径范围、颗粒密度和几何平均粒径从PM估算得出。随后在保持质量和数浓度均守恒的条件下细化了所得粒径档。基于测量和排放模型的PN排放因子的近期可用性，使得直接估算PN排放而非仅从PM推导成为可能，并可将其与PM排放结合使用以约束排放粒径分布。
实地测量显示主要道路附近存在强烈的PN梯度，凸显了局地排放源和气象扩散的影响[20–22]。道路和城市尺度的源解析已将道路交通确定为超细颗粒物的主导来源[13,23,24]。然而，交通相关PN不仅限于排气排放。非排气来源（包括制动和轮胎磨损）以及其他城市和交通相关部门[25–28]和工业[29]也可对颗粒物数浓度做出贡献。工业活动也可对城市PN浓度做出贡献，不同工业过程的粒径分布差异显著[29]。建筑排放通常在质量上以粗颗粒和细颗粒为主，尽管在特定活动期间超细颗粒可能对颗粒物数浓度有显著贡献[30]。由于PN浓度可能受局地排放强烈影响，街道尺度模拟对于表征近道路梯度和人群暴露是必要的。多尺度方法耦合区域和局地模拟已被证明能够在街道尺度重现黑碳（BC）和二氧化氮（NO2）等交通相关污染物，同时与区域背景浓度保持一致[16,18]。将此类方法应用于PN需要稳健的粒径解析排放表征，尤其是对超细颗粒。
在本研究中，研究人员评估了UFP排放特性假设如何影响背景和街道尺度下模拟的颗粒物数浓度（PN）。研究人员开发了一种新方法，通过结合颗粒物数浓度和颗粒物质量排放信息推导分档粒径分布，并将其与基于质量排放因子和假设粒径分布的传统方法进行比较。在新框架内，大于10 nm颗粒的交通排气PN排放使用COPERT或车载测量进行估算。随后，不同方法针对背景和街道站点的粒径解析PN观测进行评估，从而识别各自的优势和局限性。
论文解读：基于粒径分布调和质量与数浓度排放——城市超细颗粒物模拟的启示
一、研究背景与问题
超细颗粒物（UFPs）因其数量丰富但对颗粒物质量（PM）贡献极小而更适合以颗粒物数浓度（PN）而非颗粒物质量来表征。其在呼吸道包括肺泡区域的高效沉积使其与暴露和剂量评估高度相关，尤其在城市环境中，交通仍是UFP的主要来源。已报道的与心肺及神经结局的关联进一步支持了基于PN的暴露评估需求。PN浓度和排放已获得日益增长的监管重要性，修订后的欧洲环境空气质量指令要求在可能发生高浓度的选定地点进行颗粒物数浓度的固定测量，欧洲车辆法规也引入了大于23 nm固体颗粒的型式认证PN限值。
然而，传统排放清单围绕颗粒物质量开发，反映了空气质量法规长期以来对PM10和PM2.5的关注。尽管EMEP/EEA指南和COPERT提供了按车辆类型划分的颗粒物数浓度排放因子，但空间和部门解析的PN清单仍远不如质量清单常见。在缺乏明确PN排放的情况下，模拟UFP浓度的实用方法是从PM质量排放中推断粒径解析的颗粒物排放，例如通过估算PM1和PM0.1比例并规定代表性的排放粒径分布。但将PN排放因子整合到质量清单并非易事：质量和数浓度对应同一排放粒径分布的不同矩，质量与粒径的三次方成比例，强烈偏向大颗粒，而数浓度对最小颗粒更敏感，因此不能在没有粒径假设的情况下独立规定两者。此外，交通相关PN不仅限于排气排放，制动和轮胎磨损等非排气来源及其他城市部门也可贡献PN；工业活动的粒径分布差异显著；建筑排放虽以粗颗粒和细颗粒质量为主，但特定活动期间超细颗粒可能对PN有显著贡献。由于PN浓度受局地排放强烈影响，街道尺度模拟对表征近道路梯度和人群暴露至关重要，这需要稳健的粒径解析排放表征。
二、研究内容与意义
本研究评估了UFP排放特性假设如何影响背景和街道尺度下模拟的PN浓度，开发了一种新方法，通过结合颗粒物数浓度和颗粒物质量排放信息推导分档粒径分布，并与基于质量排放因子和假设粒径分布的传统方法进行比较。在新框架内，大于10 nm颗粒的交通排气PN排放使用COPERT或车载测量进行估算，随后针对背景和街道站点的粒径解析PN观测进行评估。该研究发表于《Journal of Hazardous Materials》，为城市超细颗粒物模拟中排放粒径分布的处理提供了系统性的方法论贡献，有助于改进基于PN的暴露评估和空气质量建模。
三、关键技术方法
研究人员采用WRF-CHIMERE/MUNICH/SSH-aerosol建模框架，于2021年6月1日至9月25日在大巴黎（法兰西岛）区域开展模拟。气象场由WRF模型生成，输入CHIMERE化学传输模型，颗粒物粒径分布离散为14个粒径档，边界直径从0.001至10 μm。区域尺度使用EMEP 2020年0.1°×0.1°人为排放清单，大巴黎区域使用Airparif 1 km×1 km清单，道路交通排放通过HEAVEN系统结合COPERT v5.2排放因子按街道段解析。研究提出了两种排放粒径分配方法：第一种基于质量排放和规定几何平均粒径的传统方法（REF模拟）；第二种新方法同时使用PM和PN排放约束排放粒径分布，通过质量与数浓度守恒算法分配至各粒径档。交通排气PN排放通过COPERT或车载测量估算，颗粒密度采用1.2 g cm?3的代表值。
四、研究结果
排放粒径分布对模拟UFP浓度影响显著。研究通过不同排放假设的敏感性模拟，评估了排放粒径分布假设对背景和街道尺度PN模拟的影响。基于质量与平均粒径的排放方法能够复现总PN浓度，表明在缺乏直接PN排放数据时，该方法可作为合理近似。交通排气粒径分布主导街道尺度UFP敏感性，说明街道尺度模拟对交通排放粒径表征最为敏感。对于交通源，需要延伸至10 nm以下的粒径解析排放因子，因为小于10 nm的颗粒对交通相关PN有显著贡献。将建筑排放与工业源合并会高估UFP排放，因为两者的粒径分布特征存在显著差异，合并处理导致粒径分布假设失真。
五、讨论与结论
讨论部分指出，颗粒物质量与数浓度对应排放粒径分布的不同矩，不能独立规定，必须通过粒径分布假设进行协调。基于质量的方法虽然能复现总PN，但对粒径分布的细节表征不足，尤其在超细粒径范围。新方法通过同时约束PM和PN排放，提供了更一致的排放粒径分布表征。研究强调，交通排气排放粒径分布对街道尺度UFP模拟的敏感性最高，而现有排放因子在10 nm以下范围的缺失是主要不确定性来源。此外，将建筑排放与工业源合并会高估UFP排放，需要在排放清单中细化部门分类。
研究结论指出，排放粒径分布假设对模拟UFP浓度有强烈影响；新开发的方法能够从质量和数浓度排放估算粒径分布；交通排气粒径分布主导街道尺度UFP敏感性；基于质量和平均粒径的排放方法能复现总PN；对于交通源，需要延伸至10 nm以下的粒径解析排放因子；将建筑排放与工业源合并会高估UFP排放。这些发现为城市超细颗粒物模拟中排放粒径分布的处理提供了重要指导，有助于改进基于PN的暴露评估和空气质量建模实践。
