濰坊城區(qū)大氣甲烷濃度變化特征

王景華，張志珍

（1.山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東濟(jì)南250101；2.濰坊市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，山東濰坊261014）

濰坊城區(qū)大氣甲烷濃度變化特征

王景華1，張志珍2

（1.山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東濟(jì)南250101；2.濰坊市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，山東濰坊261014）

為研究城區(qū)近地面CH4濃度特征，于2015年在濰坊市開(kāi)展了CH4連續(xù)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，分析了地面風(fēng)向、風(fēng)速對(duì)CH4濃度的影響。結(jié)果表明，2015年濰坊城區(qū)CH4濃度均值為1.411mg/m3，季節(jié)變化特征表現(xiàn)為冬季高、夏季低，月均濃度分布在0.872～1.788mg/m3之間；日變化呈現(xiàn)出單峰型形態(tài)，凌晨高、下午低；偏西和偏南風(fēng)向上，地面風(fēng)速越大，CH4濃度越高，在偏東風(fēng)向上，CH4濃度隨風(fēng)速增大而減小。

甲烷；濃度特征；季節(jié)變化；日變化；氣象因素

溫室氣體的研究是當(dāng)前大氣科學(xué)和環(huán)境科學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。CO2、CH4和N2O作為主要的溫室氣體，其濃度的上升導(dǎo)致了全球變暖現(xiàn)象的出現(xiàn)[1]。CH4雖然是大氣中的痕量氣體，但因其能大量吸收紅外輻射，單位濃度CH4的溫室效應(yīng)要比CO2大20倍[2]，這使得CH4對(duì)氣候造成的影響不容忽視。CH4的來(lái)源主要分為生物源和非生物源。前者主要包括稻田、沼澤等濕地以及反芻動(dòng)物的排放；后者中能源開(kāi)采以及化石燃料和生物質(zhì)的燃燒是最重要的排放源[3]。CH4的生物排放可以歸于微生物的厭氧過(guò)程，受到溫度、厭氧條件等外界環(huán)境的顯著影響，表現(xiàn)出明顯的日變化和季節(jié)變化。與生物源不同，非生物源受環(huán)境變化影響不大。存在于大氣中的CH4絕大多數(shù)會(huì)被對(duì)流層中的OH所氧化；另外CH4也會(huì)與氯原子反應(yīng)；除此之外，有一小部分的CH4會(huì)被微生物氧化所消耗[4]。

開(kāi)展CH4觀測(cè)活動(dòng)，是研究CH4濃度變化規(guī)律的基礎(chǔ)。我國(guó)對(duì)CH4的觀測(cè)開(kāi)始于20世紀(jì)80年代中期，1985—1987年科研人員在我國(guó)甘肅荒漠地區(qū)開(kāi)始了大氣觀測(cè)活動(dòng)，首次獲取了我國(guó)內(nèi)陸地區(qū)的CH4濃度數(shù)據(jù)。1991年又在全球大氣基準(zhǔn)站瓦里關(guān)開(kāi)展了CH4的規(guī)范化觀測(cè)[5]。隨后，在北京上甸子、浙江臨安和黑龍江龍鳳山等區(qū)域大氣本底站也陸續(xù)開(kāi)展了溫室氣體的觀測(cè)研究[6]。2000年以后，在天津近海、太湖流域等地也開(kāi)展了針對(duì)CH4的觀測(cè)[7-8]。但目前大多數(shù)的觀測(cè)集中在濕地或者重要的野外觀測(cè)站點(diǎn)，關(guān)于城市大氣中CH4濃度的監(jiān)測(cè)鮮有報(bào)道。為研究人類(lèi)活動(dòng)對(duì)大氣中CH4的影響，本研究于2015年在濰坊市設(shè)立了大氣觀測(cè)點(diǎn)，對(duì)城市大氣中的CH4濃度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，分析了CH4濃度隨時(shí)間的變化特征，研究了各氣象要素對(duì)CH4的影響，以期了解人為干預(yù)較強(qiáng)城市的CH4變化規(guī)律。

1 研究方法

1.1 采樣點(diǎn)位及采樣時(shí)間

觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置于濰坊學(xué)院內(nèi)，濰坊學(xué)院地處濰坊市區(qū)東部，在市區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向，學(xué)院周?chē)饕獮樯虡I(yè)區(qū)及居民區(qū)，附近無(wú)大型工業(yè)排放源，觀測(cè)數(shù)據(jù)被認(rèn)為能夠代表城區(qū)大氣環(huán)境。觀測(cè)儀器設(shè)置在濰坊學(xué)院一教學(xué)樓樓頂（36.72°N，119.17°E），海拔高度約49 m，采樣口距地面約14 m。同步觀測(cè)溫度、氣壓、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、降水量等氣象因素。觀測(cè)活動(dòng)于2015年1月開(kāi)始，至2015年12月結(jié)束。

1.2 測(cè)定方法

采用荷蘭Synspec公司的Alpha115型甲烷—非甲烷總烴在線(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀對(duì)大氣中的CH4濃度進(jìn)行測(cè)量。在采樣泵的作用下，環(huán)境空氣被抽入氣相色譜儀，然后進(jìn)入定量環(huán)，以去碳?xì)淇諝庾鳛檩d氣，CH4氣體進(jìn)入色譜柱，通過(guò)氫火焰離子檢測(cè)器（FID）進(jìn)行定量分析。該儀器最低檢出限為0.1×10-6（體積分?jǐn)?shù)）。觀測(cè)為24 h連續(xù)進(jìn)行，每3min測(cè)定一次CH4濃度，利用觀測(cè)儀器自帶的軟件記錄濃度數(shù)據(jù)。以每小時(shí)所采集的20個(gè)樣品的CH4濃度均值作為該時(shí)間段的CH4濃度值，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算日均值。濃度數(shù)據(jù)的處理以及作圖分別用Microsoft Excel和Origin兩個(gè)軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 CH4濃度特征

對(duì)濰坊市2015年全年的CH4小時(shí)平均濃度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到表1。

表1 CH4平均濃度、標(biāo)準(zhǔn)差、極值及中位數(shù)

從表1中可以看出，濰坊市城區(qū)環(huán)境空氣中CH4的年平均濃度為1.411 mg/m3。與國(guó)內(nèi)的其他觀測(cè)站點(diǎn)相比，濰坊市的濃度與臨安大氣本底站的監(jiān)測(cè)結(jié)果（年均值為1.41 mg/m3）相似，高于龍鳳山站（年均值為1.38mg/m3）、上甸子（年均值為1.36 mg/m3）、香格里拉站（年均值為1.31 mg/m3）和瓦里關(guān)站（年均值為1.32 mg/m3）的平均濃度值[6，9]。這主要是因?yàn)闉H坊和臨安站均位于我國(guó)東部沿海地區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口密度大，人為排放量相當(dāng)可觀。另外，濰坊城區(qū)CH4濃度的標(biāo)準(zhǔn)差及濃度的變化范圍均較大，這反映出當(dāng)?shù)丨h(huán)境空氣里CH4濃度的變化較為劇烈，很大程度上受到了局地人為污染源的影響。

2.2 CH4季節(jié)變化

統(tǒng)計(jì)2015年各月份的CH4濃度均值，結(jié)果如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，濰坊市CH4濃度的季節(jié)分布特征主要表現(xiàn)為，冬季（1月、2月、12月）濃度最高（濃度均值為1.733 mg/m3），春季（3月、4月、5月）和秋季（9月、10月、11月）濃度次之（濃度均值分別為1.546 mg/m3、1.240 mg/m3），夏季（6月、7月、8月）濃度最低（濃度均值為1.130 mg/m3）。其中9月份的CH4月均濃度最低，為0.872 mg/m3，1月份的月均濃度最高，達(dá)到了1.788 mg/m3。對(duì)比濰坊市CH4的濃度變化與其他研究發(fā)現(xiàn)[10-11]，濰坊市的CH4季節(jié)變化規(guī)律與臨安站、瓦里關(guān)站和早期北京的觀測(cè)結(jié)果差別較大，而與夏威夷Mauna Loa的季節(jié)分布較為相似。臨安、瓦里關(guān)和北京的CH4月均濃度最高值出現(xiàn)在8月、9月份，濃度最低值出現(xiàn)在3月份前后；而Mauna Loa站的月均濃度高值出現(xiàn)在11月，低值出現(xiàn)在7月、8月份。前者CH4濃度的月際變化主要是因?yàn)镃H4生物源是這些地方大氣中CH4的主要來(lái)源，其排放強(qiáng)度隨溫度而變化；后者的季節(jié)變化主要受CH4匯的時(shí)間變化影響。

與這些觀測(cè)不同，濰坊市出現(xiàn)冬季高、夏季低的季節(jié)變化特征，主要是因?yàn)?，冬季濰坊地區(qū)能源消耗較大，雖然這個(gè)季節(jié)的生物源（濕地、生活垃圾堆放、污水處理）排放強(qiáng)度因低溫而受到抑制，但非生物源仍然向大氣中貢獻(xiàn)了相當(dāng)數(shù)量的CH4氣體，加之冬季太陽(yáng)輻射強(qiáng)度減弱，大氣中OH自由基濃度下降至低值，CH4的消耗維持在較低的水平，除此之外冬季大氣穩(wěn)定度高，大氣邊界層高度較低，空氣的對(duì)流運(yùn)動(dòng)不活躍，這些氣象因素也有助于空氣中污染物的積累，而不利于其擴(kuò)散。以上這些因素綜合作用，使得冬季城市空氣中CH4維持在較高的濃度水平。到了夏季，城市能源消耗量降至一年中的最低水平，由非生物源貢獻(xiàn)的CH4大幅減少；另外這一時(shí)期OH自由基濃度較高[12]，CH4匯處于較強(qiáng)水平，同時(shí)夏季濰坊市主要受清潔的海洋性氣團(tuán)影響，大氣邊界層高度及大氣流動(dòng)的活躍程度均有利于污染物的擴(kuò)散，這些因素疊加使得夏季城區(qū)大氣中CH4濃度出現(xiàn)低值[10]。對(duì)于春季和秋季，CH4的源匯和氣象擴(kuò)散條件介于冬季和夏季之間，這兩個(gè)季節(jié)的CH4濃度水平也處于中等程度。綜合分析發(fā)現(xiàn)，濰坊市城區(qū)大氣中CH4的季節(jié)變化主要是CH4非生物排放源和匯以及氣象條件的時(shí)間變化導(dǎo)致的。

2.3 CH4日變化

在一年和各個(gè)季節(jié)的時(shí)間尺度內(nèi)對(duì)CH4濃度日變化求得平均值，結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，2015年濰坊城區(qū)大氣中CH4呈現(xiàn)出相當(dāng)規(guī)則的單峰型日變化特征。CH4濃度在凌晨4：00～5：00時(shí)達(dá)到濃度最高值1.486 mg/m3，隨后濃度逐漸下降，到15：00時(shí)達(dá)到濃度最低值1.342 mg/m3，此后濃度值不斷上升，但夜間20：00時(shí)之后的濃度回升速度較之前有所放緩，濃度的上升過(guò)程直至次日凌晨再次出現(xiàn)濃度高值為止。CH4單峰型的日變化特征主要是受到光化學(xué)匯和邊界層等氣象因素的日變化影響。夜間邊界層高度較低且穩(wěn)定，這有利于各種源排放的CH4在近地面積累，加之夜間不存在光化學(xué)反應(yīng)，CH4的消耗極少，使得CH4濃度積累至日出前達(dá)到最高[10]。而到了午后，此時(shí)CH4的光化學(xué)匯相對(duì)最強(qiáng)，且大氣對(duì)流輸送條件一般較好，CH4濃度出現(xiàn)最低值。

圖1 CH4濃度月變化曲線(xiàn)

圖2 CH4濃度日變化曲線(xiàn)

從圖2中還可以看出，各季節(jié)間CH4日變化曲線(xiàn)存在明顯差異。相比于春夏兩季，秋季和冬季的CH4濃度日變化峰值出現(xiàn)時(shí)刻要晚1～2 h，這主要是因?yàn)榍锒救粘鰰r(shí)刻較晚，早晨的逆溫環(huán)境稍晚才能被破壞，這延長(zhǎng)了CH4積累的時(shí)間。除此之外，各季節(jié)的日變化幅度差異也較大。夏秋兩季的日變化幅度較大，分別為0.160 mg/m3和0.186mg/m3，冬春兩季的日變化幅度較小，分別為0.134mg/m3和0.138 mg/m3。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是，冬春兩季生物源受日照、溫度等因素影響較大，但其排放強(qiáng)度較低，而非生物源作為主要排放源，其排放強(qiáng)度相對(duì)穩(wěn)定，這使得大氣中CH4不會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)。而夏秋兩季正好相反，生物源是大氣中CH4的主要來(lái)源，受到溫度等因素的影響較大，同時(shí)光化學(xué)反應(yīng)較為強(qiáng)烈，使得空氣中CH4易出現(xiàn)較大波動(dòng)。綜上所述，不同季節(jié)間出現(xiàn)日變化幅度差異的原因可以歸于光化學(xué)匯強(qiáng)度的差異和主要排放源種類(lèi)的變化。

2.4 CH4濃度與氣象因素的關(guān)系

圖3 不同風(fēng)向的CH4濃度分布

圖4 風(fēng)速隨風(fēng)向變化

2015年濰坊市地面主導(dǎo)風(fēng)向分別為SSW、SW、S、E，出現(xiàn)頻率分別為28.15%、19.98%、11.55%、11.38%。通過(guò)CH4濃度與風(fēng)向的關(guān)系圖（圖3）發(fā)現(xiàn)，高濃度CH4出現(xiàn)在NE、W、SW、SSE等方向上。NE方向上CH4濃度較高，是因?yàn)檫@一方向的樣品樣本較少，高濃度的出現(xiàn)具有很大的偶然性。在W、SW和SSE風(fēng)向上，濰坊市CH4濃度較高，可能是受到這一方向上眾多的水庫(kù)、濕地的影響。分析風(fēng)速與CH4濃度的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，ENE和E方向上風(fēng)速較大，平均風(fēng)速分別為3.431m/s和2.753m/s，但這兩個(gè)方向的濃度值僅為1.322mg/m3和1.393 mg/m3，在各風(fēng)向濃度均值中屬于較低水平，這說(shuō)明偏東風(fēng)對(duì)濰坊CH4起到了明顯的清除作用，且風(fēng)速越大清除效果越好。與之不同的是，在W、SSW和SW方向上，平均風(fēng)速也達(dá)到了2.0 m/s以上，但濃度均值高達(dá)1.430mg/m3以上，且呈現(xiàn)出風(fēng)速越大濃度越高的規(guī)律，這說(shuō)明偏西風(fēng)和偏南風(fēng)主要起到水平輸送CH4的作用，這與偏西和偏南方向上濕地較多的情況也是相吻合的。在靜風(fēng)條件下，濰坊市CH4濃度高達(dá)1.832mg/m3，這可能是由于靜風(fēng)多發(fā)生于夜晚至凌晨時(shí)段，此時(shí)大氣穩(wěn)定度較高，且CH4的匯較弱，這導(dǎo)致大氣中CH4濃度偏高[10]。

3 結(jié)論

（1）濰坊城區(qū)環(huán)境空氣中CH4濃度較高，且濃度波動(dòng)較大；

（2）受非生物排放源以及匯的變化影響，城區(qū)CH4表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征；

（3）一天中光化學(xué)匯和邊界層等氣象因素的變化導(dǎo)致了CH4濃度的日變化；

（4）偏西和偏南方向上，風(fēng)對(duì)CH4的輸送作用明顯；偏東方向上，風(fēng)表現(xiàn)為對(duì)CH4的清除。

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（編輯：程俊）

Variation Characteristics of Atmospheric M ethane in Urban Area of W eifang

Wang Jinghua1,Zhang Zhizhen2
（1.Shandong Province Metallurgical Engineering Co.,Ltd,Jinan Shandong 250101,China；2.Weifang Municipal EnvironmentalMonitoring Center Station,Weifang Shandong 261014,China）

To investigate the concentration characteristics of CH4on the ground,continuousmeasurement atone observation pointwas carried out in Weifang from January to December 2015 and impacts ofwind direction and wind speed on the CH4concentration were studied.The results revealed that the annualmean concentration of CH4was 1.411 mg/m3.Themonthly mean CH4concentrations varied from 0.872 mg/m3to 1.788mg/m3,with the highest concentration observed in winter and the lowest in summer.The diurnal variation of CH4concentration presented a single-peak curve,with the highest value observed at dawn and the lowest in the afternoon.In the directions of west and south,the CH4concentration went up with the increase of surface wind speed.In the direction of east,the CH4concentration turned out to be lowerwith higher wind speed.

methane,concentration characteristics,monthly variation,diurnal variation,meteorological factors

X831

A

1008-813X（2017）02-0060-04

10.13358 /j.issn.1008-813x.2017.02.16

2017-03-07

王景華（1978-），女，山東菏澤人，畢業(yè)于山東師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)專(zhuān)業(yè)，碩士，工程師，主要從事環(huán)境影響評(píng)價(jià)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等工作。