轮胎与道路磨损颗粒（TRWP）的真实世界排放动态：微驾驶行为与道路特征的影响

《ACS ES&T Air》：Real-World Emission Dynamics of Tire and Road Wear Particles: Impacts of Micro-Driving Behaviors and Roadway Characteristics

　　

随着尾气排放下降，非尾气来源——尤其是轮胎与道路磨损颗粒（tire and road wear particles, TRWP）——已成为机动车污染的主要贡献者。电动汽车（electric vehicle, EV）保有量增长使TRWP排放大幅增加，这一关切进一步放大。然而，真实世界微驾驶条件下TRWP生成机制仍缺乏系统认识。研究人员在受控接入道路网（含高速公路、郊区街道与乡村道路）上使用装载仪器的车辆，评估稳态行驶、加速、减速、变道、转弯、汇入、停走驾驶和掉头等微驾驶行为，以及路面类型、道路坡度和平曲线半径等道路设计特征。实时测量显示，每种微驾驶操纵对TRWP相关颗粒物质量浓度（particulate matter, PM）均有独特影响，并差异化地贡献细颗粒或粗颗粒生成，PM2.5占PM10比例在不同驾驶条件下为0.49至0.82。曲线半径、路面类型和道路坡度等道路特征也显著改变测得颗粒浓度。上述发现量化了驾驶行为与道路特征如何影响近车轮TRWP相关PM浓度，为道路设计优化和未来非尾气排放法规制定提供可操作依据。

研究背景方面，大气颗粒物（particulate matter, PM）污染威胁人类健康并参与气候过程。城市环境中交通相关源，特别是尾气与非尾气排放，是环境PM主要来源。发动机技术进步、电动汽车（electric vehicle, EV）普及和更严法规使尾气排放下降，但非尾气排放大多未被监管且日益受关注。刹车磨损颗粒（brake wear particles, BWP）与轮胎磨损颗粒（tire wear particles, TWP）是PM和微塑料（microplastic, MP）污染主要贡献者。EV再生制动减少BWP排放，使TWP成为主导非尾气源。预测显示仅EV的TWP排放在2044年前可增至多17倍，在美国近四成TWP排放来自EV。Euro 7标准2024年首次限制刹车磨损排放，轮胎磨损限制预计接踵而至。TWP离开轮胎后与路面碎屑、粉尘和环境影响颗粒团聚形成轮胎与道路磨损颗粒（tire and road wear particles, TRWP）。真实条件中纯轮胎颗粒很少见，矿物与道路材料会迅速黏附于退化橡胶。TRWP经车辆反复扬起进入空气和路侧沉积，具促炎反应与生态毒理效应。已有研究用实验室模拟、环境观测和直接道路测量三种方法，但道路现场研究多只看少数操纵或只建排放因子，未系统处理微尺度驾驶动态。因此研究人员在弗吉尼亚智能道路（Virginia Smart Road, VSR）闭场设施，系统量化近车轮TRWP相关PM浓度，填补微驾驶行为与道路特征共同作用的空白。该研究发表于《ACS ES》。

关键技术方法方面，研究人员在VSR闭场设施开展道路试验，样车为2008 Chevrolet Tahoe后轮驱动车，配Michelin Defender LTX M/S全天候轮胎，采样探头置于右前轮后4厘米、离地25厘米近车轮尾流区。仪器用DustTrak DRX气溶胶监测仪以3 L/min流量、1秒分辨率测TRWP相关PM质量浓度，并用全球定位系统（global positioning system, GPS）记录车速与高程。试验含固定车速、加速减速、变道、郊区街道常规与停走、转弯、掉头、乡村道路常规与激进驾驶；背景浓度先测后扣。用Haversine公式算道路坡度，用曲线半径和车速估侧向加速度，用分箱与回归分析微驾驶强度与颗粒浓度关系。

固定速度测试（Fixed-Speed Test）中，研究人员在20、40、55 mph高速公路段测近车轮TRWP相关PM，发现背景校正后PM_2.5从26 μg m^-3升至74 μg m^-3，PM₁₀从54 μg m^-3升至143 μg m^-3，速度和浓度近似线性（PM_2.5 R²=0.90，PM₁₀ R²=0.89）。回程上坡PM₁₀高于去程下坡，因克服重力增加胎路界面阻力。柔性（沥青）路面比刚性（水泥混凝土）路面在各速度下PM更高，20 mph时PM_2.5高33%、PM₁₀高47%，高速时差缩小，因气动阻力主导。

变道测试（Lane-Change Test）中，55 mph下载道与固定55 mph均值无显著差异，但变道产生更频更强峰值，PM_2.5最大230 μg m^-3、PM₁₀最大409 μg m^-3，变异系数更大，说明横向动力产生短时高浓度爆发，中枢力与轮胎滑移类似转弯动力学。

加速与减速测试（Acceleration and Deceleration Test）中，研究人员将纵向动力分为温和（≤1 m s^-2）与强烈（>1 m s^-2）。减速事件均值高于加速，强减速比强加速PM_2.5高149%、PM₁₀高92%。加速度或减速度越大，PM越高，纵向动力与TRWP相关PM呈正近似线性关系，胎路机械剪切与摩擦热是主因，刹车磨损贡献因采样位远离刹车线而有限。

郊区街道驾驶测试（Suburban Street Driving Test）中，常规驾驶（SS-R）平均PM_2.5 41 μg m^-3、PM₁₀ 84 μg m^-3；虚拟停走（SS-SG）因均速更低仅14 mph，PM_2.5 17 μg m^-3、PM₁₀ 33 μg m^-3。同速下SS-R比高速固定20 mph高约56%，因转弯、汇入、掉头增加胎路剪切。合并峰值看，汇入与掉头峰值最高，转弯点CR-1至CR-3相近但低于汇入和掉头。

转弯与掉头测试（Cornering and U-Turn Tests）中，三个转弯点半径分别为25 m、15 m、20 m，侧向加速度与PM强正相关（PM_2.5 r=0.84，PM₁₀ r=0.82；R²为0.71与0.68）。半径越小侧向载荷越大，TRWP相关PM越高。掉头峰值与汇入相当，为郊区街道场景最高峰之一。

讨论与结论部分，研究人员指出每种微驾驶操纵差异化影响细粗颗粒生成，道路特征（曲线半径、路面类型、坡度）显著调节近车轮TRWP相关PM。固定车速下速度近似线性推高浓度，柔性路面与上行坡度提升粗颗粒为主信号。变道不改均值但制造瞬态峰。纵向动力中减速尤其强减速更利颗粒生成。郊区低强度停走抑制均值但微操纵仍出尖峰。弯道几何经侧向加速度控制颗粒释放。结论为：真实世界近车轮TRWP相关PM由微驾驶行为与道路特征共同决定；量化结果可支撑低排放驾驶引导、道路线形与路面选型优化，并为非尾气颗粒（non-exhaust particulate）排放清单和Euro 7后轮胎磨损限值提供机制依据。