昆明市主城區(qū)三種溫室氣體的月份和干、濕季的小時變化規(guī)律及原因分析

向 峰，楊 良，李愛軍，謝海濤，金 玉

（云南省環(huán)境監(jiān)測中心站，云南昆明650034）

昆明市主城區(qū)三種溫室氣體的月份和干、濕季的小時變化規(guī)律及原因分析

向 峰，楊 良，李愛軍，謝海濤，金 玉

（云南省環(huán)境監(jiān)測中心站，云南昆明650034）

研究了昆明市主城區(qū)3種溫室氣體濃度的最新變化情況，采用2009年、2010年和2011年的月份和小時平均濃度數(shù)據(jù)，結(jié)合昆明市氣候特點(diǎn)，對3種溫室氣體濃度的月份和干、濕季的小時變化規(guī)律及原因進(jìn)行了分析。

溫室氣體；月份；干濕季；濃度；變化規(guī)律；原因；昆明

溫室氣體（Greenhouse Gases，GHGs）是指大氣中促成溫室效應(yīng)的氣體成分。自然溫室氣體包括水汽 （H2O）和二氧化碳 （CO2）（兩者大約占26%），臭氧（O3）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（又稱笑氣，N2O）。水汽所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)大約占整體溫室效應(yīng)的60%～70%，二氧化碳約占26%。此外還有人造溫室氣體氯氟碳化物（CFCs）、全氟碳化物（PFCs）、氫氟碳化物（HFCs），含氯氟烴（HCFCs）及六氟化硫（SF6）等［1］。

人口密集的大城市需要消耗以化石燃料為主的大量能源，從而排放出了大量的一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、二氧化硫、顆粒物等污染物，同時也制造了一部分溫室氣體，比如甲烷、氧化亞氮等。根據(jù)昆明市2009年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，昆明城市人口628萬，機(jī)動車有110多萬輛，地區(qū)生產(chǎn)總值為1808億［2］，按照昆明市的發(fā)展規(guī)劃，昆明正在努力建設(shè)成為中國面向西南開放的區(qū)域性國際城市。因此，在昆明這樣快速發(fā)展的城市中設(shè)立溫室氣體自動監(jiān)測系統(tǒng)對研究城市環(huán)境空氣變化有重要的意義。

云南省環(huán)境監(jiān)測中心站在中國環(huán)境監(jiān)測總站的支持下，從2008年開始在昆明市主城區(qū)設(shè)立了一個溫室氣體自動監(jiān)測站點(diǎn)，開展溫室氣體試點(diǎn)監(jiān)測，監(jiān)測項(xiàng)目為 《京都議定書》所提出六類溫室氣體中的二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）。本文根據(jù)2009年、2010年和2011年3個完整年的監(jiān)測結(jié)果，對昆明市城區(qū)的溫室氣體的月份變化和干、濕季變化原因進(jìn)行了研究。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測儀器

溫室氣體自動監(jiān)測系統(tǒng)：日本堀場制作所生產(chǎn)，型號：VIA－510；APHA－370；GA－360E。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：青島嶗山電子儀器總廠生產(chǎn)，型號：Advantech IPC－510。

氫氣發(fā)生器：山東賽克賽斯氫能源公司生產(chǎn)，型號：QL－300。

1.2 監(jiān)測方法

二氧化碳（CO2）和氧化亞氮（N2O）監(jiān)測采用非分散紅外吸收法（NDIR）。

甲烷（CH4）監(jiān)測采用氫火焰離子法（FID）。

1.3 數(shù)據(jù)采集頻率與有效性

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動將所采集到的數(shù)據(jù)按照1min、3min、30min、1h和24h進(jìn)行算術(shù)平均并自動存儲。

根據(jù)HJ／T 193－2005《環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中數(shù)據(jù)有效值規(guī)定［3］：在儀器零／跨校準(zhǔn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)不參與統(tǒng)計(jì)；對于儀器在零／跨漂移檢查過程中當(dāng)漂移指標(biāo)不滿足要求時，該次檢查期間中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)計(jì)為無效數(shù)據(jù)，不參與統(tǒng)計(jì)；遇臨時停電時，在儀器恢復(fù)供電到完成預(yù)熱期間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)不參與統(tǒng)計(jì)。對于氣態(tài)污染物，每日小時不少于18個有效小時平均值，取其算術(shù)平均值為有效的小時均值，每月不少于21個有效的小時均值的算術(shù)平均值為有效月均值，每年不少于12個有效月均值的算術(shù)平均值為有效年均值。

本研究共獲取了3年中有效小時均值20445個，數(shù)據(jù)捕獲率為77.8%。有效的小時均值數(shù)據(jù)828個，數(shù)據(jù)捕獲率為75.6%。

2 結(jié)果與討論

選取昆明市主城區(qū)該監(jiān)測點(diǎn)主要溫室氣體2009年、2010年和2011年度小時濃度均值和月濃度均值參與討論，對3年的相同月份的月均值做算術(shù)平均處理，并適當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到3年的月份濃度變化趨勢圖。昆明城市氣候干、濕季分明，全年降水量在時間分布上，明顯地分為干、濕兩季，5～10月為雨季，降水量占全年的85%左右；11月至次年4月為干季，降水量僅占全年的15%左右。按這一氣候特點(diǎn)對3年的相同季節(jié)相同小時的小時均值做算術(shù)平均處理，進(jìn)行了干、濕季的分類比較并得到不同氣體在干、濕季季節(jié)的小時變化圖。

2.1 昆明大氣中CO2濃度的月份和干、濕季變化規(guī)律及原因

2.1.1 昆明大氣中CO2濃度的月份變化規(guī)律及原因

從CO2濃度的月份變化圖（圖1）可看出，昆明城市大氣中CO2濃度的月份變化范圍為－92.8× 10－6～82.3×10－6（V／V）。3月～8月，月份變化的值由正轉(zhuǎn)負(fù)，說明CO2濃度由增加變成減少，究其原因，隨著昆明在3月份逐步進(jìn)入春季，氣溫迅速回升，植物類光合作用能力迅速增強(qiáng)，同時氣候條件對CO2的擴(kuò)散效果也明顯增加，在CO2的源沒有增加的條件下，CO2的匯持續(xù)增強(qiáng)，使得大氣中CO2濃度從3月開始持續(xù)下降，大氣中CO2濃度在8月達(dá)到年度最低值；8月～12月，月份變化的值由負(fù)轉(zhuǎn)正，說明CO2濃度由減少變成增加，原因是隨著昆明在8月份逐步進(jìn)入秋季，植物類光合作用能力逐漸減弱，在CO2的源沒有變化的條件下，CO2的匯持續(xù)減弱，使得大氣中CO2濃度從8月開始持續(xù)增加，大氣中CO2濃度在12月達(dá)到年度最高值；12月～次年2月，月份變化的值由正轉(zhuǎn)負(fù)，說明CO2濃度由增加變成減少，主要原因是隨著昆明12月～次年2月份逐步進(jìn)入冬季，昆明獨(dú)特的氣候條件對CO2的擴(kuò)散作用增強(qiáng)，在CO2的源和匯沒有明顯變化的情況下，使得大氣中CO2濃度從12月開始持續(xù)下降直至次年2月停轉(zhuǎn)回升，然后繼續(xù)下一個月份變化輪回。

2.1.2 昆明大氣中CO2濃度的干、濕季的小時變化規(guī)律及原因

根據(jù)現(xiàn)有的調(diào)查研究資料，CO2在城市大氣中的主要排放源為工業(yè)生產(chǎn)和汽車尾氣排放［4］，透過CO2濃度在干濕季的小時變化圖（圖2）可看出，在城市中人類的生產(chǎn)、生活和氣象條件的共同作用下，CO2濃度在24h內(nèi)出現(xiàn)明顯的變化規(guī)律；在上午9時～11時出現(xiàn)每天濃度的最大值，在下午17時～19時出現(xiàn)每天濃度的最低值，從上午9時開始，植物類光合作用能力增強(qiáng)，CO2濃度開始出現(xiàn)持續(xù)下降，在下午19時達(dá)到濃度低點(diǎn)；之后隨著城市的交通和居民生活的開始，CO2濃度開始出現(xiàn)持續(xù)上升，在晚間23時達(dá)到濃度高點(diǎn)；隨后，源和匯沒有明顯變化，在氣象條件的作用下，CO2濃度開始出現(xiàn)穩(wěn)定過渡的情況；5時～9時期間內(nèi)受城市交通和居民生活的影響開始出現(xiàn)逐步上升的趨勢。然后繼續(xù)每天的變化輪回。

從2009年和2010年降雨量數(shù)據(jù)和CO2月份平均濃度的Pearson相關(guān)性分析（p＞0.05，n＝24）來看，兩者之間沒有明顯的相關(guān)性，驗(yàn)證了CO2在常溫常壓條件下在水中溶解度極小的物理特性，即降雨對CO2平均濃度的影響不明顯的結(jié)果（見圖2）。

2.2 昆明大氣中CH4濃度的月份和干、濕季的小時變化規(guī)律及原因

2.2.1 昆明大氣中CH4濃度的月份變化規(guī)律及原因

從CH4濃度的月份變化圖 （圖3）可看出，昆明城市大氣中CH4濃度的月份變化范圍為－94.4×10－6～85.8×10－6（V／V）。2月～10月，月份變化的值由負(fù)轉(zhuǎn)正，說明CH4濃度由減少變成增加，原因是隨著昆明在2月份逐步進(jìn)入熱季，氣溫逐步回升，在工業(yè)生產(chǎn)和汽車尾氣排放不具有季節(jié)性變化特點(diǎn)的條件下，城市大氣甲烷生物源（污水處理廠、生活垃圾堆放、污水管網(wǎng)等）的強(qiáng)度隨氣溫升高逐漸增強(qiáng)，使得大氣中CH4濃度從2月開始持續(xù)上升，大氣中CH4濃度在10月達(dá)到年度最高值；10月～次年2月，月份變化的值由正轉(zhuǎn)負(fù)，說明CH4濃度由增加變成減少，原因是隨著昆明在2月份逐步進(jìn)入冷季，氣溫逐步回落，在工業(yè)生產(chǎn)和汽車尾氣排放不具有季節(jié)性變化特點(diǎn)的條件下，城市大氣甲烷生物源 （污水處理廠、生活垃圾堆放、污水管網(wǎng)等）的強(qiáng)度隨氣溫回落逐漸減弱，使得大氣中CH4濃度從10月開始持續(xù)下降，大氣中CH4濃度在2月達(dá)到年度最低值，然后繼續(xù)下一個月份變化輪回。

2.2.2 昆明大氣中CH4濃度的干、濕季的小時變化規(guī)律及原因

從CH4濃度在干濕季的小時變化圖（圖4）可看出，在城市中人類的生產(chǎn)、生活和氣象條件的共同作用下，CH4濃度在24h內(nèi)出現(xiàn)明顯的變化規(guī)律；在上午9時～11時出現(xiàn)每天濃度最大值，在下午17時～19時出現(xiàn)每天濃度的最低值。上午9時～下午19時，隨著城市氣溫開始逐步上升，城市大氣甲烷生物源 （污水處理廠、生活垃圾堆放、污水管網(wǎng)等）的強(qiáng)度隨氣溫升高逐漸增強(qiáng)，但在城市交通流量持續(xù)下降的條件影響下，大氣中CH4濃度出現(xiàn)持續(xù)下降趨勢，在下午19時達(dá)到濃度低點(diǎn)；之后隨著城市的交通流量的再次增強(qiáng)，CH4濃度開始出現(xiàn)持續(xù)上升，在晚間23時達(dá)到濃度高點(diǎn)；隨后，源和匯沒有明顯變化，在氣象條件的作用下，CH4濃度開始出現(xiàn)穩(wěn)定過渡的情況；在5時～9時期間內(nèi)受城市交通變化的影響開始出現(xiàn)逐步上升的趨勢。然后繼續(xù)每天的變化輪回。

對2009年和2010年的降雨量數(shù)據(jù)和CH4月份平均濃度的Pearson相關(guān)性分析（p＞0.05，n＝24）說明兩者之間沒有明顯的相關(guān)性，驗(yàn)證了CH4在常溫常壓條件下在水中溶解度極小的物理特性，即降雨對CH4平均濃度的影響不明顯的結(jié)果 （見圖4）。

2.3 昆明大氣中N2O濃度的月份和干、濕季的小時變化規(guī)律及原因

2.3.1 昆明大氣中N2O濃度的月份變化規(guī)律及原因

城市大氣中N2O的主要排放源為土壤中氮的硝化和反硝化過程，化石燃料和生物質(zhì)燃料燃燒以及己二酸和硝酸生產(chǎn)。從N2O濃度的月份變化圖（圖5）可看出，昆明城市大氣中N2O濃度的月份變化范圍為－28.7×10－6～23.6×10－6（V／V）。1月～7月，月份變化的值由正轉(zhuǎn)負(fù)，說明N2O濃度由增加變成減少，原因是隨著昆明的氣象條件在1月份逐步轉(zhuǎn)變，在高原氣象條件的影響下，城市大氣N2O的匯在逐步增強(qiáng)，抵消甚至降低了其他排放源的影響，使得大氣中N2O濃度從1月開始持續(xù)下降至7月達(dá)到年度最低值；7月～9月，月份變化的值由負(fù)轉(zhuǎn)正，說明N2O濃度由減少變成增加，原因是在氣象條件影響減弱的條件下，城市大氣N2O的濃度在逐步升高；9月～11月，月份變化的值由正轉(zhuǎn)負(fù)，說明N2O濃度由增加變成減少；11月～次年1月，月份變化的值由負(fù)轉(zhuǎn)正，說明N2O濃度由減少變成增加，使得大氣中N2O濃度從11月開始持續(xù)上升至次年1月達(dá)到年度最高值。因此，在昆明城市大氣中N2O的主要影響因素為高原氣候的季節(jié)變化。

2.3.2 昆明大氣中N2O濃度的干、濕季的小時變化規(guī)律及原因

從N2O濃度在干濕季的小時變化圖 （圖6）可看出，在城市中人類的生產(chǎn)、生活和氣象條件的共同作用下，N2O濃度在24h內(nèi)出現(xiàn)了一定的變化規(guī)律，在上午9時～11時出現(xiàn)每天濃度的最大值。2009年和2010年的降雨量數(shù)據(jù)和N2O月份平均濃度的Pearson相關(guān)性分析（r＝－0.617，p＜0.001，n＝24）說明兩者之間存在明顯的相關(guān)性，驗(yàn)證了N2O在常溫常壓條件下在水中有一定的溶解度的物理特性，即在降雨條件下對N2O平均濃度的影響較為明顯的結(jié)果 （見圖6）。

3 結(jié)論

（1）對3種溫室氣體濃度月份變化的原因分析，能夠比較好地解釋3種溫室氣體濃度的變化規(guī)律。對于CO2和CH4來說，受城市交通條件和居民生活的影響較為明顯；對于N2O來說，受高原氣象條件的影響較為明顯。

（2）對3種溫室氣體濃度干、濕季的小時變化的原因分析，能夠比較好地解釋3種溫室氣體濃度變化受降雨天氣的影響情況，影響的程度依次為氧化亞氮 （N2O）＞二氧化碳 （CO2）＞甲烷（CH4），同時也驗(yàn)證了3種溫室氣體的物理化學(xué)性質(zhì)，常溫下在水中的溶解度依次為氧化亞氮（N2O）＞二氧化碳（CO2）＞甲烷（CH4）。

（3）通過昆明市主城區(qū)1個站點(diǎn)近3年來3種溫室氣體的連續(xù)監(jiān)測，進(jìn)一步驗(yàn)證了城市中人類活動對溫室氣體濃度變化的明顯影響。在一定范圍說明了昆明城市溫室氣體濃度變化的規(guī)律，也證明了城市人類活動對溫室效應(yīng)的 “貢獻(xiàn)”，城市也是溫室氣體減排中的一個重要組成部分。

（4）希望隨技術(shù)手段的提高和更長時間的監(jiān)測，通過更多的調(diào)查研究找到與昆明城市溫室氣體變化更多相關(guān)的源和匯，通過分析能更加清晰地看出昆明城市溫室氣體變化的規(guī)律。

［1］維基百科編者.溫室氣體［Z］.維基百科，2012［2012－07－04］.

［2］昆明市統(tǒng)計(jì)局.昆明統(tǒng)計(jì)年鑒2009［M］.北京：中國統(tǒng)計(jì)出版社，2009.

［3］HJ／T 193－2005，環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］劉強(qiáng)，王躍思，王明星.北京地區(qū)大氣主要溫室氣體的季節(jié)變化［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2004，19（5）：817－823.

Monthly Change and Hourly Change in Dry and Wet Seasons of Three Greenhouse Gases and Their Cause Analysis in the Urban Center of Kunming

XIANG Feng，YANG Liang，LI Ai-jun，XIE Hai-tao，JIN Yu
（Yunnan Provincial Environmental Monitoring Center，Kunming Yunnan 650034 China）

The latest change of the concentration of the three greenhouse gases（GHG）in the urban center of Kunming City is studied.The monthly and hourly average data of their concentrations in 2009，2010 and 2011 are studied to find out their variation patterns and analyzes the causes in consideration of the climatic features of Kunming City.

greenhouse gas；month；dry and wet season；concentration；change pattern；cause；Kunming

X831

：A

：1673－9655（2013）02－0016－04

2012－09－11

向峰 （1979－），男，漢族，工程師，主要從事大氣環(huán)境監(jiān)測工作。