王景华，桑 博，2，孙明虎

（1.山东省冶金设计院股份有限公司，山东济南250101；2.山东大学环境科学与工程学院，山东济南250100；3.山东省济南市环境保护局，山东济南250101）

济南市城区大气中CO2浓度变化特征研究

王景华1，桑 博1，2，孙明虎3*

（1.山东省冶金设计院股份有限公司，山东济南250101；2.山东大学环境科学与工程学院，山东济南250100；3.山东省济南市环境保护局，山东济南250101）

为研究城市区域近地面CO2浓度变化特征，于2016年1月—12月对济南城市大气中CO2浓度进行了连续观测。结果表明，CO2具有明显的日变化规律，其中春、夏、秋季存在一峰一谷的现象，而冬季只有一峰。CO2浓度随季节变化明显，浓度最高值出现在冬季1月份，最低值出现在夏季6月份。CO2与SO2相关性较高，说明二者都来源于燃煤贡献。CO2浓度与风速和气温呈负相关关系，而与相对湿度呈正相关关系。

二氧化碳；季节变化；日变化；气态污染物；气象因素

温室气体的研究是当前大气环境科学研究中的热点领域[1]，CO2是大气中浓度仅次于水蒸气的一种温室气体，也是受人类活动影响最为明显的气体。研究表明[2]，在全球各种停留时间长且混合均匀的温室气体中，CO2对温室效应的贡献率高达63%。因此，如何限制和减少CO2等温室气体的排放，成了各国科学家急需解决的问题[3]。一般来讲，大气中气态污染物的浓度水平是由其源和汇决定的[4]。大气中CO2的主要来源包括化石燃料和生物质的燃烧、水泥的生产过程、生物的呼吸过程以及海洋的释放等；主要的汇包括生态系统的光合作用、海洋的吸收以及沉积物形态存在于陆地和海洋中的有机碳和无机碳[3，5]。

20世纪50年代，世界气象组织开始对CO2浓度进行观测[6]；20世纪80年代，我国气象部门在青海瓦里关、北京上甸子、浙江临安和黑龙江龙凤山等地开展了短期的温室气体观测；2000年后在上述4地开始对温室气体进行连续采样[7-8]。与这些大气本底站所在区域相比，城市区域消耗了大量的能源，温室气体的源汇以及排放规律均有别于非城市区域，因此在城市开展温室气体的连续监测，对掌握城市温室气体浓度变化规律，进而了解城市源汇特征、污染模式具有重要意义。目前，CO2观测研究多集中在海洋和山区等大气本底区域，国内城市范围关于CO2的观测相对较少，且多为短期观测[9-10]。本研究在济南设立观测点开展了为期一年的CO2连续观测实验，分析了近地面CO2浓度变化特征，探讨了CO2与大气中其他污染物的关系以及气象因素对CO2浓度的影响，以期了解人类活动对温室气体的影响。

1 研究方法

1.1 样品采集

观测始于2016年1月1日，到2016年12月31日结束。观测点设置在济南泉城广场附近，属于济南中心城区的核心位置，周边主要为居民区及商业区，道路交通量较大，周围10 km范围内无较大的工业排放源，被认为能够代表济南城区大气环境。该站点的观测仪器设置在广场东侧一商业楼楼顶（36.67°N，117.03°E），海拔高度约25 m，采样口距地面约20 m。在对CO2进行连续监测的同时，同步观测大气中的SO2、NO2、CO等气态污染物以及风速、气温、湿度等气象因素。

1.2 实验仪器

本次观测使用的CO2分析仪器为美国热电环境仪器公司（TEI）生产的410i型CO2分析仪。该仪器根据CO2对红外辐射选择性吸收的原理，采用气体滤波相关红外吸收法对其浓度进行分析。分析仪最低检出限为1×10-6（体积分数），零漂±1×10-6（24 h），跨漂小于1%/7 d。仪器采样响应时间为60 s。观测为24 h自动连续进行，利用观测仪器自带的软件每分钟记录一次浓度数据。SO2、NO2、CO等气态污染物分别采用TEI公司的43S型SO2分析仪、42i型NO-NO2-NOx监测仪、48i型CO监测仪。气象参数采用维萨拉公司的WXT520便携式气象站观测。

2 结果与讨论

2.1 CO2日变化特征

图1 2016年CO2浓度日变化曲线

2016年济南城区近地面CO2浓度的日变化特征如图1所示，数据根据CO2观测期间每天同一时刻的平均值得出。从图中可知，CO2日变化呈现出明显的一峰一谷的变化规律，这与淮安、郑州、重庆等地的观测结果相似[9，11-12]，但与北京的双峰型日变化结构有所不同[13]。从凌晨开始，CO2浓度开始缓慢上升，8：00-10：00，CO2上升速度加快并达到全天的浓度最大值，之后浓度迅速下降，到17：00左右达到了一天中的浓度最小值。17：00-19：00，CO2浓度快速上升，19：00后浓度继续小幅度上升，直到第二天重新开始一个日变化周期。

CO2浓度在上午出现峰值浓度，日出前植物光合作用较弱，同时大气边界层高度较低，大气对流和水平运动不活跃，这些因素促使CO2在近地面大气中不断累积，表现为早间CO2浓度的上升，并在上午达到浓度峰值。此后，大气流动的活跃程度以及植物的光合作用等汇作用强度上升，表现为大气中CO2浓度逐渐下降。CO2在15：00左右出现浓度谷值，因为午后大气对流及水平活动是一天中最为活跃的时段，有利于污染物的扩散，另外午后植物光合作用较强，从而消耗了一定数量的CO2。15：00之后，植物光合作用以及空气流动都开始变弱，土壤和生物呼吸以及工业生产等产生的CO2在近地层大气中积累，CO2浓度又开始逐渐上升。

图2 不同季节CO2浓度日变化曲线

各个季节的CO2浓度日变化情况如图2所示。可见，春夏秋三季的CO2日变化特征基本一致，且与全年的CO2日变化曲线相似。与济南春、夏、秋三季CO2浓度最高值和最低值在一天内出现的时间和瓦里关[8]基本相同（瓦里关CO2日变化峰值出现在7：00，浓度谷值出现在15：00-18：00），这说明春、夏、秋三季，人类活动对CO2浓度日变化趋势的影响并不明显。冬季CO2日变化的情形与其他三个季节完全不同。这一季节，在温度较高的8：00-16：00 CO2浓度较高，并形成一个峰值，在一天内的其他时间浓度较低且稳定。冬季济南地区植物多已落叶，白天的光合汇较弱，但CO2排放源强却高于夜晚，一是白天温度较高，动植物及土壤中微生物的呼吸作用更强，二是虽然白天温度相对较高，但白天未纳入集中供暖的城郊及乡镇居民却要消耗比夜晚更多的散煤用于取暖，而且燃烧后的污染物、大多采用低空烟囱排放。

2.2 CO2季节变化

图3是2016年济南市CO2日均浓度的逐月变化曲线。如图所示，济南市CO2呈现两头高、中间低的U型季节变化规律。分季节来看，2016年济南市春季（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平均浓度分别为108.16 μmol/mol、69.26 μmol/mol、117.95 μmol/mol、349.42 μmol/mol，整体呈现出冬季较高、春秋季次之、夏季最低的季节变化特征。这与在其他城市开展的研究[9，11]结果基本一致。分析各个月份的变化情况发现，冬季的三个月份全部处于采暖季，受巨大的燃煤消耗影响，这三个月份大气中CO2基本都维持在较高的浓度水平；3月和11月作为采暖期的起止月份，各有半个月左右的时间不处于供暖阶段，这使得这两个月份的CO2月浓度均值低于冬季月份，而高于非采暖的月份；4月—10月因无供暖，煤炭消耗量处于全年较低水平，这使得大气中的CO2浓度也较低。

图3 CO2浓度月变化

一般认为[11]，气温的季节差异导致人为取暖活动和植被光合作用的变化，是决定城区大气中CO2浓度季节变化的主要原因。冬季气温较低，为此燃料的使用量大增，CO2的排放量也随之增加，但这时北方大多数植物已落叶，此时植物的光合作用是一年中最弱的；CO2排放源强度大而光合汇弱导致冬季CO2浓度全年最高。夏季光照、气温等气象条件也有利于植物的光合作用，导致此时植物光合作用强烈，加之夏季大气对流活动活跃，近地面CO2可被气流快速输送到高空，因此这一季节大气CO2浓度最低也是显而易见的。春季和秋季人为排放的CO2要低于冬季，但比夏季要高，植物光合作用和大气流动情况也介于夏季和冬季之间，因此春季和秋季的大气CO2浓度处于中间水平。

2.3 CO2与主要污染物的关系

表1 CO2与主要大气污染物的相关性

从表1可以看出，CO2和SO2、NO2、CO均呈现正相关的关系。从全年的角度分析，CO2和SO2的相关程度较高，而与NO2、CO的相关程度较弱。SO2的主要来源是燃煤[10]。CO2和SO2的高相关性表明燃煤所排放的CO2是一年中CO2最主要的来源，而且CO2与SO2在冬季的相关度最高，说明相比于其他来源，冬季供暖所消耗的燃煤对CO2的贡献是占主导地位的。

NO2、CO在夏季和秋季也表现出和CO2较高的相关性。Rice等[14]对美国波特兰区域的CO2进行研究发现，当地CO2与CO和NOx呈现出显著的相关关系，表明这一区域的CO2主要来自于汽车排放。根据研究CO2与NO2、CO的相关性，结合观测点所处位置的周边环境，推测在夏季和秋季，观测点区域CO2主要来源于机动车的排放。

2.4 CO2与气象因素的关系

图4 CO2浓度与气象因素的关系

为研究CO2浓度与气象因素的关系，本研究选择CO2小时浓度与风速、气温和相对湿度的小时均值作相关分析，结果如图4所示。可见，风速较大、气温较高而相对湿度较小时，CO2的浓度相对较低。分析原因，风速较大时，大气湍流及对流活动活跃，这使得近地面CO2可以被快速输送到高空以及观测点的周边地区，近地面大气中的CO2难以累积；而气温较高时，为取暖而消耗的能源减少，植物的光合作用也处于较强水平，CO2排放源强度较弱而汇作用较强，导致大气中CO2浓度较低。至于相对湿度和CO2浓度的关系，相对湿度大时，往往是阴天，大气对流活动也较弱，阴天导致植物光合作用减弱，大气流动性差使得空气中CO2不易分散，这两方面原因共同作用推高了CO2浓度。

3 结论

（1）2016年CO2表现出明显的日变化规律，其中春、夏、秋三季呈现一峰一谷的日变化特征，冬季呈现单峰的日变化特征。

（2）CO2表现出明显的季节变化，冬季浓度最高，春秋季次之，夏季浓度最低，这主要是由于人为取暖活动和植被光合作用的季节差异导致的。

（3）冬季CO2和SO2相关性较高，夏秋季CO2和NO2、CO相关性较高，推测CO2主要来源于冬季燃煤，机动车也有所贡献，另外冬季不利于污染物扩散的气象条件对推高CO2浓度也起到了作用。

（4）当风速较大、气温较高而相对湿度较小时，CO2的浓度相对较低。

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（编辑：程俊）

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

王景华（1978-），女，山东菏泽人，毕业于山东师范大学环境科学专业，硕士，工程师，主要从事环境影响评价、环境监测等工作。

*通讯作者：孙明虎（1986-），男，山东济南人，毕业于山东大学环境工程专业，博士，主要从事环境行政管理工作。