昆明市主城区三种温室气体的月份和干、湿季的小时变化规律及原因分析

向 峰，杨 良，李爱军，谢海涛，金 玉

（云南省环境监测中心站，云南昆明650034）

昆明市主城区三种温室气体的月份和干、湿季的小时变化规律及原因分析

向 峰，杨 良，李爱军，谢海涛，金 玉

（云南省环境监测中心站，云南昆明650034）

研究了昆明市主城区3种温室气体浓度的最新变化情况，采用2009年、2010年和2011年的月份和小时平均浓度数据，结合昆明市气候特点，对3种温室气体浓度的月份和干、湿季的小时变化规律及原因进行了分析。

温室气体；月份；干湿季；浓度；变化规律；原因；昆明

温室气体（Greenhouse Gases，GHGs）是指大气中促成温室效应的气体成分。自然温室气体包括水汽 （H2O）和二氧化碳 （CO2）（两者大约占26%），臭氧（O3）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（又称笑气，N2O）。水汽所产生的温室效应大约占整体温室效应的60%～70%，二氧化碳约占26%。此外还有人造温室气体氯氟碳化物（CFCs）、全氟碳化物（PFCs）、氢氟碳化物（HFCs），含氯氟烃（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为主的大量能源，从而排放出了大量的一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、二氧化硫、颗粒物等污染物，同时也制造了一部分温室气体，比如甲烷、氧化亚氮等。根据昆明市2009年的统计数据，昆明城市人口628万，机动车有110多万辆，地区生产总值为1808亿［2］，按照昆明市的发展规划，昆明正在努力建设成为中国面向西南开放的区域性国际城市。因此，在昆明这样快速发展的城市中设立温室气体自动监测系统对研究城市环境空气变化有重要的意义。

云南省环境监测中心站在中国环境监测总站的支持下，从2008年开始在昆明市主城区设立了一个温室气体自动监测站点，开展温室气体试点监测，监测项目为 《京都议定书》所提出六类温室气体中的二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）。本文根据2009年、2010年和2011年3个完整年的监测结果，对昆明市城区的温室气体的月份变化和干、湿季变化原因进行了研究。

1 材料与方法

1.1 监测仪器

温室气体自动监测系统：日本堀场制作所生产，型号：VIA－510；APHA－370；GA－360E。

数据采集系统：青岛崂山电子仪器总厂生产，型号：Advantech IPC－510。

氢气发生器：山东赛克赛斯氢能源公司生产，型号：QL－300。

1.2 监测方法

二氧化碳（CO2）和氧化亚氮（N2O）监测采用非分散红外吸收法（NDIR）。

甲烷（CH4）监测采用氢火焰离子法（FID）。

1.3 数据采集频率与有效性

数据采集系统自动将所采集到的数据按照1min、3min、30min、1h和24h进行算术平均并自动存储。

根据HJ／T 193－2005《环境空气质量自动监测技术规范》中数据有效值规定［3］：在仪器零／跨校准过程中产生的数据不参与统计；对于仪器在零／跨漂移检查过程中当漂移指标不满足要求时，该次检查期间中产生的数据计为无效数据，不参与统计；遇临时停电时，在仪器恢复供电到完成预热期间产生的数据不参与统计。对于气态污染物，每日小时不少于18个有效小时平均值，取其算术平均值为有效的小时均值，每月不少于21个有效的小时均值的算术平均值为有效月均值，每年不少于12个有效月均值的算术平均值为有效年均值。

本研究共获取了3年中有效小时均值20445个，数据捕获率为77.8%。有效的小时均值数据828个，数据捕获率为75.6%。

2 结果与讨论

选取昆明市主城区该监测点主要温室气体2009年、2010年和2011年度小时浓度均值和月浓度均值参与讨论，对3年的相同月份的月均值做算术平均处理，并适当进行数据转换得到3年的月份浓度变化趋势图。昆明城市气候干、湿季分明，全年降水量在时间分布上，明显地分为干、湿两季，5～10月为雨季，降水量占全年的85%左右；11月至次年4月为干季，降水量仅占全年的15%左右。按这一气候特点对3年的相同季节相同小时的小时均值做算术平均处理，进行了干、湿季的分类比较并得到不同气体在干、湿季季节的小时变化图。

2.1 昆明大气中CO2浓度的月份和干、湿季变化规律及原因

2.1.1 昆明大气中CO2浓度的月份变化规律及原因

从CO2浓度的月份变化图（图1）可看出，昆明城市大气中CO2浓度的月份变化范围为－92.8× 10－6～82.3×10－6（V／V）。3月～8月，月份变化的值由正转负，说明CO2浓度由增加变成减少，究其原因，随着昆明在3月份逐步进入春季，气温迅速回升，植物类光合作用能力迅速增强，同时气候条件对CO2的扩散效果也明显增加，在CO2的源没有增加的条件下，CO2的汇持续增强，使得大气中CO2浓度从3月开始持续下降，大气中CO2浓度在8月达到年度最低值；8月～12月，月份变化的值由负转正，说明CO2浓度由减少变成增加，原因是随着昆明在8月份逐步进入秋季，植物类光合作用能力逐渐减弱，在CO2的源没有变化的条件下，CO2的汇持续减弱，使得大气中CO2浓度从8月开始持续增加，大气中CO2浓度在12月达到年度最高值；12月～次年2月，月份变化的值由正转负，说明CO2浓度由增加变成减少，主要原因是随着昆明12月～次年2月份逐步进入冬季，昆明独特的气候条件对CO2的扩散作用增强，在CO2的源和汇没有明显变化的情况下，使得大气中CO2浓度从12月开始持续下降直至次年2月停转回升，然后继续下一个月份变化轮回。

2.1.2 昆明大气中CO2浓度的干、湿季的小时变化规律及原因

根据现有的调查研究资料，CO2在城市大气中的主要排放源为工业生产和汽车尾气排放［4］，透过CO2浓度在干湿季的小时变化图（图2）可看出，在城市中人类的生产、生活和气象条件的共同作用下，CO2浓度在24h内出现明显的变化规律；在上午9时～11时出现每天浓度的最大值，在下午17时～19时出现每天浓度的最低值，从上午9时开始，植物类光合作用能力增强，CO2浓度开始出现持续下降，在下午19时达到浓度低点；之后随着城市的交通和居民生活的开始，CO2浓度开始出现持续上升，在晚间23时达到浓度高点；随后，源和汇没有明显变化，在气象条件的作用下，CO2浓度开始出现稳定过渡的情况；5时～9时期间内受城市交通和居民生活的影响开始出现逐步上升的趋势。然后继续每天的变化轮回。

从2009年和2010年降雨量数据和CO2月份平均浓度的Pearson相关性分析（p＞0.05，n＝24）来看，两者之间没有明显的相关性，验证了CO2在常温常压条件下在水中溶解度极小的物理特性，即降雨对CO2平均浓度的影响不明显的结果（见图2）。

2.2 昆明大气中CH4浓度的月份和干、湿季的小时变化规律及原因

2.2.1 昆明大气中CH4浓度的月份变化规律及原因

从CH4浓度的月份变化图 （图3）可看出，昆明城市大气中CH4浓度的月份变化范围为－94.4×10－6～85.8×10－6（V／V）。2月～10月，月份变化的值由负转正，说明CH4浓度由减少变成增加，原因是随着昆明在2月份逐步进入热季，气温逐步回升，在工业生产和汽车尾气排放不具有季节性变化特点的条件下，城市大气甲烷生物源（污水处理厂、生活垃圾堆放、污水管网等）的强度随气温升高逐渐增强，使得大气中CH4浓度从2月开始持续上升，大气中CH4浓度在10月达到年度最高值；10月～次年2月，月份变化的值由正转负，说明CH4浓度由增加变成减少，原因是随着昆明在2月份逐步进入冷季，气温逐步回落，在工业生产和汽车尾气排放不具有季节性变化特点的条件下，城市大气甲烷生物源 （污水处理厂、生活垃圾堆放、污水管网等）的强度随气温回落逐渐减弱，使得大气中CH4浓度从10月开始持续下降，大气中CH4浓度在2月达到年度最低值，然后继续下一个月份变化轮回。

2.2.2 昆明大气中CH4浓度的干、湿季的小时变化规律及原因

从CH4浓度在干湿季的小时变化图（图4）可看出，在城市中人类的生产、生活和气象条件的共同作用下，CH4浓度在24h内出现明显的变化规律；在上午9时～11时出现每天浓度最大值，在下午17时～19时出现每天浓度的最低值。上午9时～下午19时，随着城市气温开始逐步上升，城市大气甲烷生物源 （污水处理厂、生活垃圾堆放、污水管网等）的强度随气温升高逐渐增强，但在城市交通流量持续下降的条件影响下，大气中CH4浓度出现持续下降趋势，在下午19时达到浓度低点；之后随着城市的交通流量的再次增强，CH4浓度开始出现持续上升，在晚间23时达到浓度高点；随后，源和汇没有明显变化，在气象条件的作用下，CH4浓度开始出现稳定过渡的情况；在5时～9时期间内受城市交通变化的影响开始出现逐步上升的趋势。然后继续每天的变化轮回。

对2009年和2010年的降雨量数据和CH4月份平均浓度的Pearson相关性分析（p＞0.05，n＝24）说明两者之间没有明显的相关性，验证了CH4在常温常压条件下在水中溶解度极小的物理特性，即降雨对CH4平均浓度的影响不明显的结果 （见图4）。

2.3 昆明大气中N2O浓度的月份和干、湿季的小时变化规律及原因

2.3.1 昆明大气中N2O浓度的月份变化规律及原因

城市大气中N2O的主要排放源为土壤中氮的硝化和反硝化过程，化石燃料和生物质燃料燃烧以及己二酸和硝酸生产。从N2O浓度的月份变化图（图5）可看出，昆明城市大气中N2O浓度的月份变化范围为－28.7×10－6～23.6×10－6（V／V）。1月～7月，月份变化的值由正转负，说明N2O浓度由增加变成减少，原因是随着昆明的气象条件在1月份逐步转变，在高原气象条件的影响下，城市大气N2O的汇在逐步增强，抵消甚至降低了其他排放源的影响，使得大气中N2O浓度从1月开始持续下降至7月达到年度最低值；7月～9月，月份变化的值由负转正，说明N2O浓度由减少变成增加，原因是在气象条件影响减弱的条件下，城市大气N2O的浓度在逐步升高；9月～11月，月份变化的值由正转负，说明N2O浓度由增加变成减少；11月～次年1月，月份变化的值由负转正，说明N2O浓度由减少变成增加，使得大气中N2O浓度从11月开始持续上升至次年1月达到年度最高值。因此，在昆明城市大气中N2O的主要影响因素为高原气候的季节变化。

2.3.2 昆明大气中N2O浓度的干、湿季的小时变化规律及原因

从N2O浓度在干湿季的小时变化图 （图6）可看出，在城市中人类的生产、生活和气象条件的共同作用下，N2O浓度在24h内出现了一定的变化规律，在上午9时～11时出现每天浓度的最大值。2009年和2010年的降雨量数据和N2O月份平均浓度的Pearson相关性分析（r＝－0.617，p＜0.001，n＝24）说明两者之间存在明显的相关性，验证了N2O在常温常压条件下在水中有一定的溶解度的物理特性，即在降雨条件下对N2O平均浓度的影响较为明显的结果 （见图6）。

3 结论

（1）对3种温室气体浓度月份变化的原因分析，能够比较好地解释3种温室气体浓度的变化规律。对于CO2和CH4来说，受城市交通条件和居民生活的影响较为明显；对于N2O来说，受高原气象条件的影响较为明显。

（2）对3种温室气体浓度干、湿季的小时变化的原因分析，能够比较好地解释3种温室气体浓度变化受降雨天气的影响情况，影响的程度依次为氧化亚氮 （N2O）＞二氧化碳 （CO2）＞甲烷（CH4），同时也验证了3种温室气体的物理化学性质，常温下在水中的溶解度依次为氧化亚氮（N2O）＞二氧化碳（CO2）＞甲烷（CH4）。

（3）通过昆明市主城区1个站点近3年来3种温室气体的连续监测，进一步验证了城市中人类活动对温室气体浓度变化的明显影响。在一定范围说明了昆明城市温室气体浓度变化的规律，也证明了城市人类活动对温室效应的 “贡献”，城市也是温室气体减排中的一个重要组成部分。

（4）希望随技术手段的提高和更长时间的监测，通过更多的调查研究找到与昆明城市温室气体变化更多相关的源和汇，通过分析能更加清晰地看出昆明城市温室气体变化的规律。

［1］维基百科编者.温室气体［Z］.维基百科，2012［2012－07－04］.

［2］昆明市统计局.昆明统计年鉴2009［M］.北京：中国统计出版社，2009.

［3］HJ／T 193－2005，环境空气质量自动监测技术规范［S］.

［4］刘强，王跃思，王明星.北京地区大气主要温室气体的季节变化［J］.地球科学进展，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，汉族，工程师，主要从事大气环境监测工作。