来自遥感观测的关于真实世界尾气排放与高排放车辆的新兴证据

《Atmospheric Pollution Research》：Emerging Evidence on Real-World Exhaust Emissions and High Emitting Vehicles from Remote Sensing Observations

　　

•分析了超过 184,000 个真实世界车辆遥感测量数据。
•欧六车队减少了颗粒物（PM）和一氧化碳（CO）排放，但柴油车氮氧化物（NOx）排放仍偏高。
•12%-50% 的车辆产生了车队总排放量的 80%（涵盖各种污染物）。
•排放缓解策略加速了车队更新并减少了高排放车辆。
•结果支持针对城市空气质量改善的定向政策。

引言
道路运输体现了现代社会的一个根本悖论，它既是经济繁荣和发展的支柱，又是城市空气污染和环境退化的主要来源。这种二元性在发达国家（如英国）尤为明显，2023 年道路货运运输为经济贡献了约 370 亿英镑，并为运输和存储行业提供了超过 160 万人的就业（DfT, 2023; ONS, 2024）。然而，这种经济活动的环境成本巨大，2022 年道路交通运输占英国氮氧化物（NOx）、颗粒物（PM）和二氧化碳（CO2）总排放量的 31%、13% 和 26%（Alex et al., 2023; Baruah et al., 2024）。

车辆排放被广泛认为是全球城市空气污染和温室气体排放的主要贡献者，道路运输消耗了全球石油产量的一半左右（GFEI, 2023; IEA, 2023）。这一影响规模反映在全球排放统计数据中：截至 2022 年，在途车辆估计贡献了 35-45% 的氮氧化物排放、20-30% 的 PM2.5 以及 50-60% 的一氧化碳（CO）排放（GFEI, 2023; IEA, 2023）。虽然这些数字根据区域技术能力和监管方法而波动，但研究一致表明，车辆排放严重损害空气质量，由于车辆活动集中，城市中心承受的负担最重（Ghaffarpasand et al., 2021; Wallington et al., 2022; Zacharof et al., 2025）。

对车辆排放作为关键环境和公共健康问题的认识促使美国实施监管干预，始于 1963 年美国《清洁空气法》，并通过 1970 年的修正案大幅扩展，这在很大程度上是对洛杉矶等城市持续存在的烟雾问题的回应（Orford, 2021）。自那以后，全球推出了众多车辆排放标准，欧盟的欧洲排放标准（Euro）或许是公认和采用最广泛的框架，其影响超出了欧盟边界，影响了全球车辆排放监管（Hooftman et al., 2018）。这些不断演变的标准从根本上改变了在途车辆如何被分类和评估其环境影响，建立了支配现代运输排放的监管格局。

从欧三到欧六的演进引入了对受监管污染物（特别是 CO、碳氢化合物、NOx 和颗粒物）日益严格的限制。制造商采用了发动机管理和排气后处理技术的组合来满足这些要求，尽管具体配置在车辆类型、燃料、制造商和欧洲排放子阶段之间有所不同（Hooftman et al., 2018; Wallington et al., 2022）。废气再循环（EGR）被广泛用于减少发动机排气 NOx，而柴油氧化催化器（DOC）和柴油颗粒过滤器（DPF）越来越多地部署用于控制 CO、碳氢化合物和颗粒物排放。稀氮氧化物 traps（LNT）和选择性催化还原（SCR）系统对于控制后期柴油车（特别是欧六标准）的 NOx 变得至关重要。汽油车主要依靠三元催化器来控制 CO、碳氢化合物和 NOx，汽油颗粒过滤器越来越多地引入用于直喷发动机（Hooftman et al., 2018; Wallington et al., 2022）。这些技术发展提供了解释欧洲排放等级间排放趋势的背景，但并不意味着同一等级内的所有车辆都使用了相同的控制系统或达到了相同的真实世界性能。

这些技术及其使用中性能的变异性使得理解真实世界车辆排放的分布对于制定有效的监管政策和更清洁技术尤为重要。传统的车辆排放评估方法严重依赖使用特定驾驶循环进行的实验室测试，以代表区域驾驶条件（Franco et al., 2013）。然而，几项研究报告了实验室与真实世界测量之间的显著差异（Agarwal & Mustafi, 2021; Talaiekhozani et al., 2017），突出了受控测试环境在捕捉实际驾驶场景复杂性方面的局限性。

便携式排放测量系统（PEMS）已出现用于测量真实世界车辆排放，由安装在车辆内部或后部的测量包组成，以监测车辆在测试路线上实际驾驶时的排气排放。它被广泛用于评估各种类型的车辆排放性能，例如（B.-w. Li et al., 2025; Liu et al., 2025; M?dziel, 2025）。虽然 PEMS 提供出色的真实世界结果和详细的排放曲线，但其应用受到需要为每辆车单独安装的限制，由于预算和人力资源限制，这使得大规模车队评估不切实际。因此，尽管基于 PEMS 的研究提供了有价值的见解，但它们不适合提供对更广泛车辆车队排放的全面或可扩展的理解。

车辆排放遥感系统（VERSS）提供了一种解决这些挑战的方案，通过在实际驾驶条件下对车辆排放进行大规模的原位测量（Zhong et al., 2024）。这些光学设备安装在地面道路旁或交通车道上方，利用红外和紫外光谱测量车辆经过时尾气羽流中的污染物浓度（Zhong et al., 2024）。该方法非侵入式的性质允许从数千辆车辆中快速收集数据，生成车队排放曲线的详细快照。

近年来，衍生自遥感数据的排放因子（EF）分析取得了显著进展，这得益于复杂测量协议、数据集成技术和统计模型的采用（S. Li et al., 2025）。排放因子通常表示为单位燃料消耗或行驶距离所排放的污染物质量，是编制排放清单、为政策决策提供信息和支持空气质量预测的基础。除了简单的平均值之外，分布拟合、百分位分析和广义加法模型（GAMs）等统计方法提高了排放因子估计的稳健性，并实现了针对不同车辆类别排放行为的更细致表征（Hao et al., 2021; Huang et al., 2020）。遥感与车辆注册数据库和车载诊断（OBD）数据的集成进一步完善了污染源解析，并能够追踪车队中的高排放者和超级排放者。先进的传感器校准、测量的时间分层和贝叶斯方法现在越来越多地用于解决测量不确定性和变异性（Michailidis et al., 2025; Wang et al., 2021）。这些方法论的演变不仅产生了更具代表性的车队排放因子，还增强了识别高排放车辆的能力，这些车辆的排放相对于车队其余部分往往高度偏斜，并对整体车队平均值产生显著影响（Natarajan et al., 2023）。

尽管高排放车辆在车队中占比较小，但其排放不成比例地贡献于空气污染，特别是对于某些污染物如 PM 和 NOx（Qiu & Borken-Kleefeld, 2022）。其不成比例的影响为定向干预提供了战略机会：监管、检查或改造这些车辆可能会带来巨大的空气质量效益，而无需诉诸全面的车队政策。然而，关于使用 VERSS 准确识别高排放者的适当阈值和使用存在持续争议（Schmidt et al., 2025; Xie et al., 2024; Z. Yang et al., 2022）。关于其分类标准、高排放子集的时间动态、对监管措施的响应性以及此类车辆在流通中的持久性，仍存在关键问题。这些问题在评估排放控制技术和执法策略的真实世界效力方面变得越来越核心。

纵向遥感研究在理解车队排放动态方面的重要性由西澳大利亚和昆士兰使用长达十年的数据集进行的研究例证。该数据集最初由（Smit et al., 2021）分析，并在后续工作中由（Zhang & Chen, 2025）进一步探索，包括 2009 年至 2020 年间通过 VERSS 收集的超过 100,000 条有效车辆排放记录。两项研究都强调了高排放车辆的持续存在，约 2% 的轻型车辆（LDV），包括轿车、运动型多用途车（SUV）和轻型商用车（LCV），被确定为极端排放者。值得注意的是，柴油 LDV 一直表现出有问题的 NOx 与 CO2 比率，该比率在更新的欧洲排放等级中保持稳定甚至增加，反映了欧洲看到的趋势。此外，发现柴油颗粒过滤器（DPF）故障的证据相当实质，特别是在欧五柴油车辆中。（Zhang & Chen, 2025）的分析显示，在 1-5 年车龄的欧五柴油车辆中，4% 的烟雾水平表明缺失、被篡改或功能失调的 DPF。这种流行率随车辆年龄显著上升，高达 12% 的柴油 LCV 和 7% 的柴油 SUV 显示出 DPF 故障迹象。令人 alarm 的是，即使在最新的柴油 SUV（车龄少于两年）中，仍有 1% 显示出与 DPF 相关的问题迹象，这一数字与类似的英国研究形成鲜明对比，表明 DPF 故障随时间呈非线性增长（p < 0.05）。

尽管以前的研究提供了关于真实世界车辆排放和高排放者问题的宝贵见解，但许多此类研究反映的是较老的车队技术，因此不能完全捕捉过去十年引入的欧六标准所带来的变革性影响。本研究建立在这一基础之上，但解决了其时间局限性，通过实证分析近期的技术和监管发展来调查这些演变动态。具体来说，我们将 2022 年英国 EDAR 活动的超过 90,000 个遥感测量与 2016-2017 年 EDAR 活动获得的 94,000 个测量进行比较，以评估在技术和政策迅速进步的同时，真实世界车辆排放如何变化。使用一致的测量平台（EDAR）和统计技术，包括用于不确定性量化的自助抽样法和用于高排放者表征的帕累托分析，我们评估了整体车队排放因子和高排放车辆的流行率。为了拓宽比较视角，EDAR 数据集还与（Mahesh et al., 2023）使用 Opus RSD 5000 系统在爱尔兰都柏林收集的 35,000 个测量进行了评估，使得能够进行不同监管和环境条件下车队排放趋势的跨区域分析。

这种纵向视角提供了关于清洁空气区等政策措施有效性以及车队周转影响的新见解。此外，由于欧洲排放标准不仅是英国的排放法规基础，也是世界许多地区的排放法规基础，英国车队作为一个具有全球意义的案例研究。通过整合横截面排放评估与时间分析，本研究推进了国际对演变排放行为的理解，并为未来的交通和空气质量政策提供了及时证据。

章节片段
VERSS 局限性与高排放者检测挑战
VERSS 的有效性不仅源于其非侵入式操作，还源于其在短时间内对数千辆车辆排放进行快速采样的能力，从而实现高效且成本效益高的数据收集。然而，每次单独测量仅代表车辆在特定操作条件下排放的短暂快照，通常少于一秒。这提出了一个重要问题：“需要多少次这样的观测才能确保...

遥感系统、监测站点及辅助设备
本研究使用数据源自排放检测与报告（EDAR）系统，这是一种可靠性与有效性已在前序研究中得到证实的 VERSS，例如（Ropkins et al., 2017）。EDAR 装置位于路面上方约 5 米处，从而便于在不阻碍交通流量的情况下无干扰地获取车辆排放测量值。值得注意的是，该仪器优先安装在具有 2 度坡度的道路上，一

研究期间车队组成与 VSP 概况
图 2(a) 展示了 2016-2017 年和 2022 年 EDAR 遥感活动期间记录的车队组成，按车辆类别和欧洲排放标准细分。比较显示，在这五年间隔期间车队发生了实质性更新，欧六车辆在几乎所有类别中显示显著的车队普及率。除了公共汽车外，在每个主要车队细分中，两次活动之间欧六车辆的数量都翻了一番以上。在汽油车方面，

结论
本研究基于 2016-2017 年和 2022 年进行的两次大规模遥感活动，提供了关于英国车队组成和真实世界排放性能的综合评估。通过结合详细的车队表征与排放因子分析、帕累托分布和高排放车辆子集（HEVS）量化，结果提供了关于 successive Euro 标准和本地政策干预下车辆排放演变的新见解。
该比较

CRediT 作者贡献声明 Francis D.

Pope：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法学、调查、概念化。Omid Ghaffarpasand：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、方法学、调查、概念化。未引用的参考文献：Li等，2025年；Yang等，2022年。数据可用性：本研究期间生成和分析的数据集已存入伯明翰大学电子数据仓库，DOI编号为：https://doi.org/10.25500/edata.bham.00001701。生成式AI及AI辅助技术在手稿准备过程中的声明：在本文准备过程中，作者使用了ChatGPT（OpenAI，GPT-5.5）来改善手稿的语言、语法和可读性。该工具未用于生成或解释科学内容、文献综合、数据分析、结果或结论。使用此工具后，作者对所生成的内容进行了审阅和必要的编辑，并对已发表文章的内容承担全部责任。利益冲突声明：作者声明，他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能对本研究中报告的工作产生影响。致谢：我们衷心感谢英国自然环境研究委员会（NERC）通过WM-Air项目（NE/S003487/1）提供的支持与资助。Omid Ghaffarpasand | Francis D. Pope