濟(jì)南市城區(qū)大氣中CO2濃度變化特征研究

王景華，桑 博，2，孫明虎

（1.山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東濟(jì)南250101；2.山東大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南250100；3.山東省濟(jì)南市環(huán)境保護(hù)局，山東濟(jì)南250101）

濟(jì)南市城區(qū)大氣中CO2濃度變化特征研究

王景華1，桑 博1，2，孫明虎3*

（1.山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東濟(jì)南250101；2.山東大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南250100；3.山東省濟(jì)南市環(huán)境保護(hù)局，山東濟(jì)南250101）

為研究城市區(qū)域近地面CO2濃度變化特征，于2016年1月—12月對(duì)濟(jì)南城市大氣中CO2濃度進(jìn)行了連續(xù)觀測。結(jié)果表明，CO2具有明顯的日變化規(guī)律，其中春、夏、秋季存在一峰一谷的現(xiàn)象，而冬季只有一峰。CO2濃度隨季節(jié)變化明顯，濃度最高值出現(xiàn)在冬季1月份，最低值出現(xiàn)在夏季6月份。CO2與SO2相關(guān)性較高，說明二者都來源于燃煤貢獻(xiàn)。CO2濃度與風(fēng)速和氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與相對(duì)濕度呈正相關(guān)關(guān)系。

二氧化碳；季節(jié)變化；日變化；氣態(tài)污染物；氣象因素

溫室氣體的研究是當(dāng)前大氣環(huán)境科學(xué)研究中的熱點(diǎn)領(lǐng)域[1]，CO2是大氣中濃度僅次于水蒸氣的一種溫室氣體，也是受人類活動(dòng)影響最為明顯的氣體。研究表明[2]，在全球各種停留時(shí)間長且混合均勻的溫室氣體中，CO2對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率高達(dá)63%。因此，如何限制和減少CO2等溫室氣體的排放，成了各國科學(xué)家急需解決的問題[3]。一般來講，大氣中氣態(tài)污染物的濃度水平是由其源和匯決定的[4]。大氣中CO2的主要來源包括化石燃料和生物質(zhì)的燃燒、水泥的生產(chǎn)過程、生物的呼吸過程以及海洋的釋放等；主要的匯包括生態(tài)系統(tǒng)的光合作用、海洋的吸收以及沉積物形態(tài)存在于陸地和海洋中的有機(jī)碳和無機(jī)碳[3，5]。

20世紀(jì)50年代，世界氣象組織開始對(duì)CO2濃度進(jìn)行觀測[6]；20世紀(jì)80年代，我國氣象部門在青海瓦里關(guān)、北京上甸子、浙江臨安和黑龍江龍鳳山等地開展了短期的溫室氣體觀測；2000年后在上述4地開始對(duì)溫室氣體進(jìn)行連續(xù)采樣[7-8]。與這些大氣本底站所在區(qū)域相比，城市區(qū)域消耗了大量的能源，溫室氣體的源匯以及排放規(guī)律均有別于非城市區(qū)域，因此在城市開展溫室氣體的連續(xù)監(jiān)測，對(duì)掌握城市溫室氣體濃度變化規(guī)律，進(jìn)而了解城市源匯特征、污染模式具有重要意義。目前，CO2觀測研究多集中在海洋和山區(qū)等大氣本底區(qū)域，國內(nèi)城市范圍關(guān)于CO2的觀測相對(duì)較少，且多為短期觀測[9-10]。本研究在濟(jì)南設(shè)立觀測點(diǎn)開展了為期一年的CO2連續(xù)觀測實(shí)驗(yàn)，分析了近地面CO2濃度變化特征，探討了CO2與大氣中其他污染物的關(guān)系以及氣象因素對(duì)CO2濃度的影響，以期了解人類活動(dòng)對(duì)溫室氣體的影響。

1 研究方法

1.1 樣品采集

觀測始于2016年1月1日，到2016年12月31日結(jié)束。觀測點(diǎn)設(shè)置在濟(jì)南泉城廣場附近，屬于濟(jì)南中心城區(qū)的核心位置，周邊主要為居民區(qū)及商業(yè)區(qū)，道路交通量較大，周圍10 km范圍內(nèi)無較大的工業(yè)排放源，被認(rèn)為能夠代表濟(jì)南城區(qū)大氣環(huán)境。該站點(diǎn)的觀測儀器設(shè)置在廣場東側(cè)一商業(yè)樓樓頂（36.67°N，117.03°E），海拔高度約25 m，采樣口距地面約20 m。在對(duì)CO2進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測的同時(shí)，同步觀測大氣中的SO2、NO2、CO等氣態(tài)污染物以及風(fēng)速、氣溫、濕度等氣象因素。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

本次觀測使用的CO2分析儀器為美國熱電環(huán)境儀器公司（TEI）生產(chǎn)的410i型CO2分析儀。該儀器根據(jù)CO2對(duì)紅外輻射選擇性吸收的原理，采用氣體濾波相關(guān)紅外吸收法對(duì)其濃度進(jìn)行分析。分析儀最低檢出限為1×10-6（體積分?jǐn)?shù)），零漂±1×10-6（24 h），跨漂小于1%/7 d。儀器采樣響應(yīng)時(shí)間為60 s。觀測為24 h自動(dòng)連續(xù)進(jìn)行，利用觀測儀器自帶的軟件每分鐘記錄一次濃度數(shù)據(jù)。SO2、NO2、CO等氣態(tài)污染物分別采用TEI公司的43S型SO2分析儀、42i型NO-NO2-NOx監(jiān)測儀、48i型CO監(jiān)測儀。氣象參數(shù)采用維薩拉公司的WXT520便攜式氣象站觀測。

2 結(jié)果與討論

2.1 CO2日變化特征

圖1 2016年CO2濃度日變化曲線

2016年濟(jì)南城區(qū)近地面CO2濃度的日變化特征如圖1所示，數(shù)據(jù)根據(jù)CO2觀測期間每天同一時(shí)刻的平均值得出。從圖中可知，CO2日變化呈現(xiàn)出明顯的一峰一谷的變化規(guī)律，這與淮安、鄭州、重慶等地的觀測結(jié)果相似[9，11-12]，但與北京的雙峰型日變化結(jié)構(gòu)有所不同[13]。從凌晨開始，CO2濃度開始緩慢上升，8：00-10：00，CO2上升速度加快并達(dá)到全天的濃度最大值，之后濃度迅速下降，到17：00左右達(dá)到了一天中的濃度最小值。17：00-19：00，CO2濃度快速上升，19：00后濃度繼續(xù)小幅度上升，直到第二天重新開始一個(gè)日變化周期。

CO2濃度在上午出現(xiàn)峰值濃度，日出前植物光合作用較弱，同時(shí)大氣邊界層高度較低，大氣對(duì)流和水平運(yùn)動(dòng)不活躍，這些因素促使CO2在近地面大氣中不斷累積，表現(xiàn)為早間CO2濃度的上升，并在上午達(dá)到濃度峰值。此后，大氣流動(dòng)的活躍程度以及植物的光合作用等匯作用強(qiáng)度上升，表現(xiàn)為大氣中CO2濃度逐漸下降。CO2在15：00左右出現(xiàn)濃度谷值，因?yàn)槲绾蟠髿鈱?duì)流及水平活動(dòng)是一天中最為活躍的時(shí)段，有利于污染物的擴(kuò)散，另外午后植物光合作用較強(qiáng)，從而消耗了一定數(shù)量的CO2。15：00之后，植物光合作用以及空氣流動(dòng)都開始變?nèi)?，土壤和生物呼吸以及工業(yè)生產(chǎn)等產(chǎn)生的CO2在近地層大氣中積累，CO2濃度又開始逐漸上升。

圖2 不同季節(jié)CO2濃度日變化曲線

各個(gè)季節(jié)的CO2濃度日變化情況如圖2所示?？梢?，春夏秋三季的CO2日變化特征基本一致，且與全年的CO2日變化曲線相似。與濟(jì)南春、夏、秋三季CO2濃度最高值和最低值在一天內(nèi)出現(xiàn)的時(shí)間和瓦里關(guān)[8]基本相同（瓦里關(guān)CO2日變化峰值出現(xiàn)在7：00，濃度谷值出現(xiàn)在15：00-18：00），這說明春、夏、秋三季，人類活動(dòng)對(duì)CO2濃度日變化趨勢的影響并不明顯。冬季CO2日變化的情形與其他三個(gè)季節(jié)完全不同。這一季節(jié)，在溫度較高的8：00-16：00 CO2濃度較高，并形成一個(gè)峰值，在一天內(nèi)的其他時(shí)間濃度較低且穩(wěn)定。冬季濟(jì)南地區(qū)植物多已落葉，白天的光合匯較弱，但CO2排放源強(qiáng)卻高于夜晚，一是白天溫度較高，動(dòng)植物及土壤中微生物的呼吸作用更強(qiáng)，二是雖然白天溫度相對(duì)較高，但白天未納入集中供暖的城郊及鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民卻要消耗比夜晚更多的散煤用于取暖，而且燃燒后的污染物、大多采用低空煙囪排放。

2.2 CO2季節(jié)變化

圖3是2016年濟(jì)南市CO2日均濃度的逐月變化曲線。如圖所示，濟(jì)南市CO2呈現(xiàn)兩頭高、中間低的U型季節(jié)變化規(guī)律。分季節(jié)來看，2016年濟(jì)南市春季（3月—5月）、夏季（6月—8月）、秋季（9月—11月）、冬季（12月、次年1月、2月）的CO2平均濃度分別為108.16 μmol/mol、69.26 μmol/mol、117.95 μmol/mol、349.42 μmol/mol，整體呈現(xiàn)出冬季較高、春秋季次之、夏季最低的季節(jié)變化特征。這與在其他城市開展的研究[9，11]結(jié)果基本一致。分析各個(gè)月份的變化情況發(fā)現(xiàn)，冬季的三個(gè)月份全部處于采暖季，受巨大的燃煤消耗影響，這三個(gè)月份大氣中CO2基本都維持在較高的濃度水平；3月和11月作為采暖期的起止月份，各有半個(gè)月左右的時(shí)間不處于供暖階段，這使得這兩個(gè)月份的CO2月濃度均值低于冬季月份，而高于非采暖的月份；4月—10月因無供暖，煤炭消耗量處于全年較低水平，這使得大氣中的CO2濃度也較低。

圖3 CO2濃度月變化

一般認(rèn)為[11]，氣溫的季節(jié)差異導(dǎo)致人為取暖活動(dòng)和植被光合作用的變化，是決定城區(qū)大氣中CO2濃度季節(jié)變化的主要原因。冬季氣溫較低，為此燃料的使用量大增，CO2的排放量也隨之增加，但這時(shí)北方大多數(shù)植物已落葉，此時(shí)植物的光合作用是一年中最弱的；CO2排放源強(qiáng)度大而光合匯弱導(dǎo)致冬季CO2濃度全年最高。夏季光照、氣溫等氣象條件也有利于植物的光合作用，導(dǎo)致此時(shí)植物光合作用強(qiáng)烈，加之夏季大氣對(duì)流活動(dòng)活躍，近地面CO2可被氣流快速輸送到高空，因此這一季節(jié)大氣CO2濃度最低也是顯而易見的。春季和秋季人為排放的CO2要低于冬季，但比夏季要高，植物光合作用和大氣流動(dòng)情況也介于夏季和冬季之間，因此春季和秋季的大氣CO2濃度處于中間水平。

2.3 CO2與主要污染物的關(guān)系

表1 CO2與主要大氣污染物的相關(guān)性

從表1可以看出，CO2和SO2、NO2、CO均呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系。從全年的角度分析，CO2和SO2的相關(guān)程度較高，而與NO2、CO的相關(guān)程度較弱。SO2的主要來源是燃煤[10]。CO2和SO2的高相關(guān)性表明燃煤所排放的CO2是一年中CO2最主要的來源，而且CO2與SO2在冬季的相關(guān)度最高，說明相比于其他來源，冬季供暖所消耗的燃煤對(duì)CO2的貢獻(xiàn)是占主導(dǎo)地位的。

NO2、CO在夏季和秋季也表現(xiàn)出和CO2較高的相關(guān)性。Rice等[14]對(duì)美國波特蘭區(qū)域的CO2進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)谻O2與CO和NOx呈現(xiàn)出顯著的相關(guān)關(guān)系，表明這一區(qū)域的CO2主要來自于汽車排放。根據(jù)研究CO2與NO2、CO的相關(guān)性，結(jié)合觀測點(diǎn)所處位置的周邊環(huán)境，推測在夏季和秋季，觀測點(diǎn)區(qū)域CO2主要來源于機(jī)動(dòng)車的排放。

2.4 CO2與氣象因素的關(guān)系

圖4 CO2濃度與氣象因素的關(guān)系

為研究CO2濃度與氣象因素的關(guān)系，本研究選擇CO2小時(shí)濃度與風(fēng)速、氣溫和相對(duì)濕度的小時(shí)均值作相關(guān)分析，結(jié)果如圖4所示。可見，風(fēng)速較大、氣溫較高而相對(duì)濕度較小時(shí)，CO2的濃度相對(duì)較低。分析原因，風(fēng)速較大時(shí)，大氣湍流及對(duì)流活動(dòng)活躍，這使得近地面CO2可以被快速輸送到高空以及觀測點(diǎn)的周邊地區(qū)，近地面大氣中的CO2難以累積；而氣溫較高時(shí)，為取暖而消耗的能源減少，植物的光合作用也處于較強(qiáng)水平，CO2排放源強(qiáng)度較弱而匯作用較強(qiáng)，導(dǎo)致大氣中CO2濃度較低。至于相對(duì)濕度和CO2濃度的關(guān)系，相對(duì)濕度大時(shí)，往往是陰天，大氣對(duì)流活動(dòng)也較弱，陰天導(dǎo)致植物光合作用減弱，大氣流動(dòng)性差使得空氣中CO2不易分散，這兩方面原因共同作用推高了CO2濃度。

3 結(jié)論

（1）2016年CO2表現(xiàn)出明顯的日變化規(guī)律，其中春、夏、秋三季呈現(xiàn)一峰一谷的日變化特征，冬季呈現(xiàn)單峰的日變化特征。

（2）CO2表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化，冬季濃度最高，春秋季次之，夏季濃度最低，這主要是由于人為取暖活動(dòng)和植被光合作用的季節(jié)差異導(dǎo)致的。

（3）冬季CO2和SO2相關(guān)性較高，夏秋季CO2和NO2、CO相關(guān)性較高，推測CO2主要來源于冬季燃煤，機(jī)動(dòng)車也有所貢獻(xiàn)，另外冬季不利于污染物擴(kuò)散的氣象條件對(duì)推高CO2濃度也起到了作用。

（4）當(dāng)風(fēng)速較大、氣溫較高而相對(duì)濕度較小時(shí)，CO2的濃度相對(duì)較低。

[1]王長科，王躍思，劉廣仁.北京城市大氣CO2濃度變化特征及影響因素[J].環(huán)境科學(xué)，2003，24（4）：13-17.

[2]白冰，李小春，劉延鋒，等.中國CO2集中排放源調(diào)查及其分布特征[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25（增1）：2918-2923.

[3]GUNTER W D，WONG S，CHEEL D B，et al.Large CO2sinks：their role in the mitigation of greenhouse gases from an international，national（Canadian)and provincial（Alberta)perspective [J].Applied Energy，1998，61（4）：209-227.

[4]王明星，張仁健，鄭循華.溫室氣體的源與匯[J].氣候與環(huán)境研究，2000，5（1）：75-79.

[5]楊昕，王明星.陸面碳循環(huán)研究中若干問題的評(píng)述[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2001，16（3）：427-435.

[6]KEELING C D.Atmospheric carbon dioxide variations at Mauna Loa observatory，Hawaii.Tellus，1976，28（6）：538-551.

[7]劉立新，周凌晞，張曉春，等.我國4個(gè)國家級(jí)本底站大氣CO2濃度變化特征[J].中國科學(xué)D輯：地球科學(xué)，2009，39（2）：222-228.

[8]趙玉成，溫玉璞，德力格爾，等.青海瓦里關(guān)大氣CO2本底濃度的變化特征[J].中國環(huán)境科學(xué)，2006，26（1）：1-5.

[9]尹起范，盛振環(huán)，魏科霞，等.淮安市大氣CO2濃度變化規(guī)律及影響因素的探索[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2009，32（4）：54-57.

[10]李燕麗，穆超，鄧君俊，等.廈門秋季近郊近地面CO2濃度變化特征研究[J].環(huán)境科學(xué)，2013，34（5）：2018-2024.

[11]師麗魁，婁運(yùn)生，方文松.鄭州城區(qū)大氣CO2濃度變化特征及影響因素分析[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，2013，36（1）：40-43.

[12]劉萍，余家燕，鮑雷，等.重慶市城區(qū)大氣中CO2和CH4的濃度特征分析[J].西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2016，41（5）：146-150.

[13]李晶，王躍思，劉強(qiáng)，等.北京市兩種主要溫室氣體濃度的日變化[J].氣候與環(huán)境研究，2006，11（1）：49-56.

[14]RICE A，BOSTROM G.Measurements of carbon dioxide in an Oregon metropolitan region[J].Atmospheric Environment，2011，45（5）：1138-1144.

（編輯：程?。?/p>

A Study on The Variations of Atmospheric CO2at Urban Jinan

Wang Jinghua1,Sang Bo1,2,Sun Minghu3*
（1.Shandong Province Metallurgical Engineering Co.,Ltd,Jinan Shandong 250101,China; 2.School of Environmental Science and Engineering,Shandong University,Jinan Shandong 250100,China; 3.Jinan Environmental Protection Bureau,Jinan Shandong 250101,China）

Continuous measurement of CO2at one observation point was carried out in Jinan from January to December 2016 to study the concentration characteristics of CO2.Studies revealed that CO2exhibited a significant diurnal variation with one peak and one valley in spring,summer and autumn,while the diurnal variation with only one peak in winter.There was an obviously seasonal cycle of CO2,with the maximum in January and the minimum in June.CO2had a high correlation with SO2,indicating that the main source of CO2and SO2emission in this area was coal combustion.Moreover,the CO2concentration had a negative correlation with wind speed and temperature,and had a positive correlation with humidity.

CO2,seasonal variation,diurnal variation,gaseous pollutant,meteorological factors

X511

A

1008-813X（2017）03-0056-05

10.13358 /j.issn.1008-813x.2017.03.15

2017-03-13

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)測等工作。

*通訊作者：孫明虎（1986-），男，山東濟(jì)南人，畢業(yè)于山東大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)，博士，主要從事環(huán)境行政管理工作。