了解加拿大阿尔伯塔省卡尔加里大都会地区环境中挥发性有机化合物（VOCs）的时空变化特性

《Atmospheric Pollution Research》：Understanding spatiotemporal variability in ambient sources of volatile organic compounds (VOCs) in the Calgary Metropolitan Region in Alberta, Canada

本研究针对加拿大卡尔加里地区，通过被动采样结合正交矩阵因子分解（PMF）方法，分析夏季和冬季125个时空点的VOCs源解析，发现空间数据识别9类源（车辆、石油天然气、溶剂等），时间数据识别6类源，为健康影响评估和空气质量管理提供依据。

　　

Md. Aynul Bari | Philip K. Hopke | Darvensky M. Eugene | Angelos T. Anastasopolos | Keith Van Ryswyk | Ryan Kulka | Stefania Bertazzon | Markey Johnson

纽约州立大学奥尔巴尼分校环境与可持续工程系，美国纽约州奥尔巴尼，12222

摘要

VOCs是地面臭氧（O₃）和二次有机气溶胶（SOA）形成的重要前体，与多种不良健康后果有关，包括心血管疾病、肝功能损伤、抑郁症、肥胖、2型糖尿病和高血压。在加拿大的国家空气污染监测（NAPS）计划中，主要城市中心定期监测环境中的VOCs。作为卡尔加里空间和时间暴露建模（CSTEM）研究的一部分，在2015年夏季和2016年1-2月冬季期间，对125个城市和非城市地点进行了为期两周的综合性被动VOC采样。这种密集的空间监测有助于了解VOCs来源的空间变化，并为基于来源的健康分析提供支持。此外，每月在卡尔加里市内的4个地点进行为期两周的综合性VOC测量。正矩阵分解（PMF）从空间数据集中识别出9个来源：汽油车辆、柴油车辆、传统石油和天然气（O&G）行业、溶剂使用、干洗店、化工厂/造纸业、生物源以及混合源。而从时间数据集中识别出6个来源：车辆排放、传统石油和天然气行业、溶剂使用、化工厂/造纸业、生物源以及混合源。这些结果将有助于开发用于基于来源的暴露评估的土地利用回归模型，并为未来的流行病学研究提供关于特定来源健康影响的信息。

引言

尽管观察到PM_2.5及其某些成分（如硫酸盐、硝酸盐、元素碳和有机碳）浓度呈下降趋势，但在加拿大的一些城市中心（Wang等人，2022年）和美国（Cheng等人，2024年；Blanchard等人，2019年；Squizzato等人，2018年；Lin等人，2024年）仍观察到二次有机碳（SOC）浓度的显著增加。SOC是通过挥发性有机化合物（VOCs）的氧化形成的，与人为和自然碳质气溶胶的局部和长距离传输有关。在加拿大，社区空气质量观测网络在描述影响从区域到社区尺度的各种有害空气污染物（包括VOCs）方面存在局限性。最近的流行病学研究还直接将VOCs暴露与心血管疾病（CVD）急诊入院（Zhang等人，2024年）、肝功能损伤（Yu等人，2024年）、抑郁症（Tang等人，2024年）以及代谢综合征（包括腹部肥胖、2型糖尿病和高血压）联系起来（Lei等人，2023年；McGraw等人，2023年；Tan等人，2024年）。

大多数地区依赖中心站点测量来评估VOC暴露情况，但由于VOCs的空间和时间异质性，这可能导致暴露分类错误，从而产生对这些空间和时间上异质性污染物的有偏健康风险估计（Zeger等人，2000年）。为了保护公众免受空气污染暴露带来的风险，不仅需要了解基于中心站点的城市或区域空气质量，还需要了解社区尺度上的局部污染源的影响。

正矩阵分解（PMF）已在加拿大广泛用于城市、工业和农村地区的VOC来源分配，使用来自单个和/或多个站点的罐装测量数据（Rivellini等人，2024年；Xiong等人，2020b；Bari等人，2020年；Bari和Kindzierski，2018b，2017年；Aklilu等人，2018年；McCarthy等人，2013年）。卡尔加里拥有超过120万的人口，是石油和天然气资源丰富的阿尔伯塔省最大的城市区域，也是加拿大第三大市镇。先前的研究利用卡尔加里中心空气质量监测站点的数据（例如Bari和Kindzirski，2018a；Xiong等人，2020a）描述了VOCs的浓度、来源和潜在健康风险，该站点是加拿大国家空气污染监测（NAPS）计划的一部分（ECCC，2021年）。例如，Bari和Kindzierski（2018a）利用PMF识别出2010-2015年间影响卡尔加里市中心的9个VOC来源，其中以石油和天然气相关排放（26%）、燃料燃烧（20%）、交通源（包括汽油尾气、柴油尾气）、混合逃逸排放（10-15%）和工业溶剂（12%）为主。然而，之前的卡尔加里研究仅提供了市中心区域的时间来源信息，没有提供VOC来源的空间分布信息或比较城市与非城市来源的贡献。

迄今为止，尚未有研究使用来源分配方法评估卡尔加里区域空气流域（CRAZ）内VOCs来源的空间和时间变异性。已经应用了成本效益高的被动采样器（如3M有机蒸汽监测仪（OVM）进行空间VOC监测，并在实地方法比较研究中进行了评估（Mukerjee等人，2004年）。结果显示OVM与自动气相色谱仪（auto-GC）等主动参考监测仪之间有很好的一致性。多项过去的研究使用被动VOC采样数据进行来源分配（Dumanoglu等人，2014年；Lan等人，2014年；R?sch等人，2014年；Civan等人，2015年；Bozkurt等人，2018年；Kumar等人，2018年；Kim等人，2021年）。例如，Civan等人（2015年）对位于土耳其伊兹密尔大都市以北约45公里的Aliaga工业区（38.43°N，27.13°W）在2005年和2007年的夏季和冬季进行了研究。他们使用被动采样器（不锈钢管，Gradko，英格兰，Chromosorb吸附剂）在55个地点测量了每周的VOCs、NO₂、SO₂和O₃。他们利用29种特定VOC数据识别出6个来源：柴油尾气（11%）、汽油尾气（39%）、居民活动（11%）、两个不同的石化工业区（11%和14%）以及炼油和钢铁工业（14%）。后来在2009年和2010年的四个季节在同一地区进行了另一项研究（Dumanoglu等人，2014年），使用被动采样盒（Radiello，Code 130）在40个地点测量了58种VOC。确定的4个来源分别是：炼油和石油产品、石化工业、溶剂使用和工业过程以及车辆尾气，其贡献比例分别为56%、22%、12%和10%。R?sch等人（2014年）在2006-2008年间使用OVM采样器在德国莱比锡的622户家庭中测量了60种VOC，并识别出10个VOC来源。最后，Kim等人（2021年）在韩国首尔的36个地点分别部署了被动采样器（Radiello?，Sigma-Aldrich），在2016年夏季（8-9月）和冬季（1-2月）各进行了28天和33天的测量，识别出4个来源：印刷和绘画用的溶剂、来自其他地区的交通排放、用于绘画的工业溶剂、制造和清洁用的工业溶剂以及交通排放，并探讨了它们的空间和时间变异性。

卡尔加里空间和时间暴露建模（CSTEM）工作旨在基于2015-2016年夏季和冬季在125个城市和非城市地点收集的26种VOC物种的测量数据，提高我们对卡尔加里区域空气流域（CRAZ）内VOC来源的空间和时间变异性的理解。我们的发现将用于开发VOC来源部门的土地利用回归（LUR）模型，以研究特定来源的健康影响，并为当地空气流域管理提供依据。

研究区域和采样策略

研究区域和采样策略

作为CSTEM研究的一部分，在位于加拿大阿尔伯塔省10个空气流域区域之一的卡尔加里大都会地区进行了空气采样（图S1）。总体而言，CRAZ具有湿润的大陆性气候，季节间温度变化较大（例如，漫长的寒冷冬季和温暖的夏季）。在冬季，CRAZ会经历从加拿大落基山脉向东吹来的温暖而强劲的Chinook风，这会影响冬季的空气质量（Hicks和Mathews，

VOC空间变异性的来源分配

空间PMF模型（即124个站点）探索了包含5到10个因子的解决方案。采用了几种方法来确定保留因子的最佳数量。这些方法包括检查缩放残差的分布、因子的合理性和可解释性以及PMF诊断测试（Brown等人，2015年）。综合考虑这些标准，选择了9个因子的解决方案。模型表现良好，没有DISP交换和自举映射，如表S2所示。

结论

该研究采用了成本效益高的被动采样方法收集VOC数据，并应用PMF来源分配方法来了解加拿大卡尔加里地区VOC来源的空间和时间变化。通过对空间VOC数据集（夏季和冬季每个站点采样一次的125个站点）的来源分配建模，共识别出9个VOC来源；而从时间VOC数据集（每两周采样4个站点的）中识别出6个来源。

CRediT作者贡献声明

Md. Aynul Bari：撰写——原始草稿、可视化、监督、方法论、正式分析。Keith Van Ryswyk：撰写——审阅与编辑、调查、数据管理、概念化。Angelos T Anastasopolos：撰写——审阅与编辑、方法论。Darvensky M Eugene：撰写——审阅与编辑、可视化、正式分析。Philip K Hopke：撰写——原始草稿、可视化、监督、方法论、正式分析。Markey Johnson：撰写——审阅与编辑、项目

未引用的参考文献

Alberta Environment, 2013; Dunn, 1964; Healy et al., 2018; Huang et al., 2018; Mukerjee et al.,; National Pollutant Release, 2020; Novus International, 2013; Statistics Canada, 2026.

利益冲突声明

? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Philip K Hopke（美国纽约州罗切斯特大学）是《Atmospheric Pollution Research》杂志的编委会成员。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

CSTEM研究离不开许多人的支持。我们特别感谢我们的同事Robin Shutt（加拿大卫生部）和F. Underwood（卡尔加里大学）对现场采样活动的贡献。我们还要感谢加拿大卫生部和卡尔加里大学的所有学生、工作人员和志愿者们的协助。同时，我们也感谢CRAZ允许我们将空气监测设备与当地空气