应用案例 | HT8700大气氨激光开路分析仪精准锁定汽车尾气氨排放

氨气是大气中最主要的碱性气体。它在于进入大气后，会与硫酸、硝酸等酸性物质发生反应，生成硫酸铵、硝酸铵等二次无机气溶胶。这些微小颗粒物正是PM2.5和雾霾的重要组成部分。

被低估的城市污染源

从全球尺度看，农业活动仍然是氨排放的主要来源；但在人口和车辆高度集中的城市地区，机动车尾气已成为不可忽视的人为氨排放源。

清华大学团队基于北京和上海的实际道路交通数据发现，机动车排放已成为中国特大城市市区NH₃的重要人为贡献源，2017年对北京、上海市区NH₃排放的相对贡献分别达到86%和45%。

值得注意的是，汽车氨排放与现代尾气后处理技术密切相关：

l 汽油车三元催化器在降低NOₓ排放的过程中，可能在富燃工况下将氮氧化物过度还原，生成NH₃；

l 柴油车选择性催化还原系统通过尿素溶液降低NOₓ排放，但如果尿素喷射与反应控制不当，未反应的NH₃可能从尾气管排出，形成“氨逃逸”；

l 随着车辆里程增加，催化剂、传感器及空燃比控制系统逐渐老化，氨排放还可能进一步升高。

因此，在机动车NOₓ和颗粒物排放持续下降的背景下，氨排放正在成为城市空气治理中需要重新认识的新问题。

传统氨监测法的瓶颈

目前，大气氨监测主要包括以下几类方法。

l 离线采样与实验室分析：例如利用涂酸吸收管、滤膜或扩散采样器收集氨，再通过离子色谱等手段分析。这类方法成本相对较低、适合大范围布点，但时间分辨率通常为小时、天甚至周级，无法捕捉车辆经过时持续仅数秒的尾气羽流，也容易受到采样、保存和转化过程的影响。

l 在线湿化学或离子色谱监测：这类方法能够实现连续观测，但系统较复杂，通常需要采样、溶蚀、分离和检测等多个环节，维护量较大，时间分辨率仍难以满足道路尾气瞬态监测需求。

l 闭路式激光光谱分析：闭路仪器具有较高灵敏度，但需要通过采样泵和管路将空气输送至气体池。NH₃是一种极易吸附的“黏性”气体，容易在管壁、过滤器和接头处发生吸附，造成响应延迟、浓度衰减和测量偏差。

l 机动车尾气遥感或路边点采样：传统遥感技术可以在车辆正常行驶状态下进行非接触测量，但通常只在约0.5秒内获取尾气“快照”，单车测量噪声较大，可测污染物种类也受到限制。路边点采样可以使用更多类型的高精度仪器，却又面临不同车辆尾气羽流相互重叠的问题。以往研究中，为排除干扰，往往只能使用约10%~30%的有效数据。

传统方法面临一个共同难题：既要足够快，又要足够准，还要能在真实道路环境中把不同车辆的贡献区分开。

ES&T研究成果

这项发表于 Environmental Science & Technology 的研究提出了一种名为“羽流回归”（Plume Regression）的新方法。研究团队在英国约克市3个道路点位开展监测，在9个测量日内记录了11264次车辆通过，其中95%的车辆成功匹配到车牌及技术信息。

与传统点采样方法不同，羽流回归并不强行寻找“完全孤立”的单车尾气羽流，而是先建立车辆经过后的平均羽流形态，再利用稳健线性回归，将不同时间、不同车型产生的重叠羽流贡献逐一拆分。这意味着，即使道路上车辆连续通过、尾气相互叠加，系统也能够利用全部车辆通行数据，反演不同车型对污染物浓度增量的贡献。

研究获得了几项重要发现：

l 第一，汽油乘用车是道路氨排放的主要贡献者。
汽油车平均燃料比氨排放因子约为0.3—1.2 g/kg燃料，而大多数柴油车低于0.06 g/kg燃料。汽油车氨排放显著高于柴油车，与三元催化器的工作机制密切相关。

按车辆类型、燃料类型和欧标等级分组的平均NH₃和NOx燃油特定排放因子

l 第二，车辆行驶里程越高，氨排放越明显。
研究显示，汽油车NH₃和NOₓ排放均随里程增加而升高，反映出催化剂及相关控制系统老化对实际道路排放的影响。

使用羽流回归方法确定的NOx/CO₂和NH₃/CO₂排放比率。车辆按车辆类型、燃料类型和欧标等级分组。* 表示已经进行过实际驾驶排放测试(RDE)的车辆。插图显示了按里程分组的汽油车NOx/CO₂与NH₃/CO₂排放比率，通过合并欧标4至6的数据并按里程四分位数划分得出。

l 第三，新方法具有更低的排放因子不确定性。
与传统遥感方法相比，羽流回归方法得到的NOₓ排放因子平均相对不确定度由23.4%降至13.1%，对于识别低排放车辆之间的细微差异尤其有价值。

使用羽流回归方法确定的不同车辆群体的单车路边NO₂增量浓度。百分比显示了每种车辆类型对总路边NO₂增量的贡献。* 表示已经进行过实际驾驶排放测试(RDE)的车辆。

l 第四，单车排放高不等于道路浓度贡献一定最大。
以 roadside NO₂ 浓度增量为例，老旧重型柴油车虽然单车贡献最高，但由于车队占比仅0.4%，对总浓度增量的贡献仅为2.1%；而欧标5、欧标6柴油乘用车因保有量较高，分别贡献了23.9%和17.9%。这为城市制定差异化车辆管控政策提供了更精细的数据依据。

HT8700的优势

这项研究能够成功实施，离不开前端分析仪对道路尾气羽流的快速、稳定捕捉。HT8700大气氨激光开路分析仪的核心优势，正体现在以下几个方面。

l 开放光路设计：采样空气无需经过任何进气管路，显著降低了由管路引起的吸附与响应滞后，实现了高频实时采样和高浓度检测限；

l 中红外量子级联激光：选择NH₃强吸收带核心区，并通过谱线选择降低与主要大气组分（如H₂O）的光谱干扰，保证了高选择性和灵敏度；

l 数据高频响应：具备高频数据输出能力，能够细致记录车辆经过前后的NH₃浓度变化，为羽流回归和车型级源解析提供高质量原始数据；

l 无人值守连续监测：快捷安装设计和较低功耗便于在偏僻野外站点或小型车辆上部署和维护。

从发现污染，到量化排放，再到识别来源，HT8700正在推动大气氨监测从“浓度观测”迈向“精细化溯源”。

结语

氨气在现代城市交通体系中，正成为影响PM2.5生成和道路空气质量的重要因素。这项发表于 Environmental Science & Technology 的研究证明，通过HT8700高频、开路、原位氨测量技术与羽流回归方法的结合，即使面对车辆连续通行、尾气羽流重叠的真实道路环境，也能够准确量化不同车型的NH₃与NOₓ排放贡献。

让每一辆车经过时留下的氨排放轨迹，都被看见、被量化、被归因——这正是精准治污所需要的数据基础。

参考文献：Farren, N. J., et al. An Ambient Measurement Technique for Vehicle Emission Quantification and Concentration Source Apportionment. Environmental Science & Technology, 2024, 58, 20091–20100. DOI：10.1021/acs.est.4c07907。