济南市大气中一氧化碳污染特征研究

刘 鑫，孙明虎

（1.山东省冶金设计院股份有限公司，山东 济南 250101；2.济南市环保局，山东 济南 250101）

济南市大气中一氧化碳污染特征研究

刘 鑫1，孙明虎2*

（1.山东省冶金设计院股份有限公司，山东 济南 250101；2.济南市环保局，山东 济南 250101）

为研究城市近地面CO浓度变化特征，于2015年1～12月在山东大学开展了CO连续监测试验。结果表明，济南城区CO年均浓度为1.431 mg/m3。CO表现出明显的双峰型日变化规律，峰值出现在8:00和21:00，谷值出现在15:00。不同季节的CO日变化幅度存在差异，夏季最小，冬季幅度最大。一周之中周末CO浓度要高于工作日时。CO存在明显的季节变化规律，浓度最高值出现在12月，最低值出现在7月份。

一氧化碳；日变化；周变化；季变化

1 研究方法

1.1 观测站点和采样时间

观测始于2015年1月1日，到12月31日结束。观测点位于山东大学中心校区内，位于济南东北城区，附近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。观测仪器设置在环境学院四楼楼顶（36.67°N，117.06°E），海拔高度约51 m，采样口距地面约14 m。样品的采集与输送分析均采用聚四氟乙烯材料，尽量避免仪器本身对样品造成污染。

1.2 实验仪器

本次观测使用的CO分析仪器为美国热电环境仪器公司（TEI） 生产的Model 48i型CO分析仪。该仪器是利用CO吸收波长4.6 μm的红外辐射的特性，通过气体滤光相关红外吸收（GFC）的方法测定空气中的CO浓度。分析仪最低检出限为0.04 ppm。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CO浓度数据。浓度数据的处理以及作图分别用Microsoft Excel和Origin两个软件进行。

2 结果与讨论

2.1 济南市CO浓度特征

对济南市2015年全年的CO小时平均浓度进行统计分析，得到表1。浓度1.982 mg/m3）［5］等北方工业城市的年均浓度要低，但与南京（年均浓度0.757 ppm）［6］等南方城市相比则要高很多。这种地域间的浓度差异主要是不同城市间能源消耗量的多少导致的。另外，济南城区CO年均浓度的标准差及浓度的变化范围均较大，这反映出一年中环境空气中CO浓度的变化较为剧烈，受到了局地污染源以及风速、太阳辐射等因素的影响。

表1 CO平均浓度、标准差、极值及中位数 mg/m3

2.2 CO日变化特征

图1 济南市CO浓度的日变化

从表1中可以看出，济南城区环境空气中CO的年平均浓度为1.431 mg/m3。与国内其他城市相比，比北京（年均浓度2.6 mg/m3）［4］、天津（年均

从图1中可以看出，济南城区CO呈现出明显的日变化特征。4个季节的CO日变化曲线均呈双峰型，与其他城市［4-5］监测的CO日变化趋势一致。一天之中，CO浓度的最高值一般出现在8:00左右，次高值出现在晚间21:00至22:00，最小值出现在午后的15:00至16:00。

CO日变化是城区车辆排放、太阳辐射、边界层高度、大气流动等因素共同作用的结果。自晚间22:00至次日的3:00，CO浓度呈现下降趋势。这主要是道路车流量较小，CO排放量的减小导致的。从早上3:00至8:00，CO的浓度值开始快速上升，直到达到全天浓度最高值。这段时间内，人群活动开始逐渐增多，大量的车辆消耗了可观的汽柴油等燃料；另外，早上8:00前大气边界层高度正处于最低值［6］，不利于CO的扩散，同时这段时间太阳辐射仍处于较低的强度，CO的光化学消耗量较低。以上因素共同作用，使得空气中CO浓度快速增加，并出现峰值。从8:00出现峰值之后，到下午15:00至16:00，CO浓度在该时间段迅速降低，并出现一天内的浓度最低值。这段时间内，车流量的减少使得污染物排放量较少；同时太阳辐射强度较高，有利于CO结合OH自由基发生光化学反应生成CO2；另外，随着近地面大气温度的上升，一方面大气边界层迅速增高，另一方面大气流动增强，这两方面的大气活动均有利于污染物的扩散。以上所说的这些因素共同作用导致了该时间段CO浓度的降低。到午后15:00左右，城区上空边界层高度到达最高值［6］时，CO浓度降到谷值。在此之后，一直到夜间21:00至22:00，CO浓度又出现上升。这主要是交通晚高峰、太阳辐射减弱、气象条件趋于稳定等因素导致的。

CO日变化趋势在各个季节是大致相同的，但是变化幅度存在着明显的季节差异。春季、夏季、秋季和冬季的浓度日变化幅度分别为0.444 mg/m3、0.316 mg/m3、0.596 mg/m3、0.868 mg/m3。冬秋两季幅度较大，春夏两季幅度较小，这与其他北方城市［4］的发现基本一致。除了日变化幅度外，不同季节CO的日变化峰值和谷值浓度也存在差异。冬季的日变化最低值和最高值浓度要远高于其他3个季节，这主要归因于冬季燃煤大量消耗。

2.3 CO浓度的周变化

早在1974年，Cleveland等人［7］提出了污染物存在“周末效应”，即周末污染物浓度要低于工作日时的浓度；随后，国内外学者在南京［6］、北京［8］等地的研究中也发现了这一现象。为揭示济南城区CO浓度的周变化规律，笔者将含节假日的非正常工作周以及特殊天气（大风、雨雪天气）的数据剔除，计算了一周内各天的年平均浓度值。

如图2所示，济南城区CO浓度呈现出一定的周变化规律。从周一到周五，CO浓度呈现上升趋势，周末空气中CO维持在较高浓度；一周内CO日均浓度最高值出现在周六，且周末CO浓度要高于工作日的浓度。这与南京［6］、北京［8］等地的研究发现正好相反。分析出现这种差异的原因可能与本观测点所处的区域有关。本观测点周边为重要商圈，大型商场和农贸市场分布其间，这使得该区域周末人流车流量要比工作日更多，与之相应的是CO的直接排放增多，出现了“反周末效应”。

图2 济南市CO浓度周变化

为更好地说明CO浓度在工作日和周末的变化情况，根据双休日制度将一周分为工作日和周末两类时间，计算各自的CO小时平均浓度。从图3可以看出，在5:00至15:00，周末CO浓度明显高于工作日时的浓度；在其他时间段，周末和工作日的CO浓度相差不大。二者浓度出现差别的时段基本上与购物人群的活动时间相吻合。在7:00至10:00这一时段，周末和工作日二者之间浓度差值较大，达到了0.150 mg/m3以上，而这一时段正是购物人群最活跃时间。由此可见，济南城区大气CO浓度的反周末效应主要是人类活动所导致的。

图3 工作日和周末的CO浓度日变化曲线

2.4 CO浓度的季节变化

图4 CO浓度月均值变化曲线

2015年济南市CO春季、夏季、秋季、冬季的平均浓度值分别为1.219 mg/m3，1.017 mg/m3，1.534 mg/m3，1.936 mg/m3。比较1～12月的月平均浓度值发现，最大月均值出现在12月份，其浓度均值为2.514 mg/m3，最小月均值出现在7月份，其浓度均值为0.883 mg/m3。

按照采暖时间，可以将全年分为采暖期（11月15日至次年3月15日）和非采暖期（3月16日至11月14日）。采暖期平均浓度为1.874 mg/m3，非采暖期为1.212 mg/m3。采暖期供暖使得煤炭消耗量较大，CO排放量也随之增加。除了人为源强的变化之外，采暖期温度较低，大气稳定度较高，边界层维持在较低高度，这样的气象条件有利于CO在近地面积累；另外，太阳辐射强度低使得光化学反应较弱，CO的消耗作用不强。以上各方面的因素共同作用，使得采暖期的CO浓度较高。

与全球大气本底站［2］的CO变化相比，济南城区CO浓度高值出现在12月份，而本底大气中CO浓度最高值出现在早春3月，这主要是城市人为排放源所导致的［6］。采暖季过后，CO浓度逐月下降，但5、6月份浓度不降反升；出现这一现象的原因主要是济南当地春季大面积的烧荒，6月份夏收夏种期间又出现烧秸秆情况。到7月份CO浓度降至最低值，这主要是源排放强度较低、气象条件利于污染物扩散，较高浓度的OH自由基大量消耗CO，三方面因素共同作用所致。自7月之后，CO浓度又开始上升，到10月份之后，受温度较低及供暖影响，CO浓度迅速上升并维持在较高浓度水平。

3 结论

（1）相较于其他北方城市，济南城区CO浓度相对较低。

（2）济南城区CO呈现出明显的日变化规律，这是机动车排放、太阳辐射、边界层高度、大气流动等因素共同作用的结果。

（3） 一周内，CO浓度最高值出现在周六，最低值出现在周一，这是观测点周边人群活动的周期性变化导致的。

（4）CO浓度冬季浓度最高，夏季最低，这是排放源强以及气象条件的季节变化所导致的。

［1］KHALIL M A K，RASMUSSEN R A.Global decrease in atmospheric carbon monoxide concentration［J］.Nature，1994，370（6491）：639-641.

［2］周凌晞，温玉璞，李金龙，等.瓦里关山大气CO本底变化［J］.环境科学学报，2004，24（4）：637-642.

［3］方双喜，周凌晞，栾天，等.浙江临安大气本底站CO浓度及变化特征［J］.环境科学，2014，35（7）：2454-2459.

［4］薛敏，王跃思，孙扬，等.北京市大气中CO的浓度变化监测分析［J］.环境科学，2006，27（2）：200-206.

［5］杨继东，刘佳泓，杨光辉，等.天津市环境空气中一氧化碳污染特征及变化趋势研究［J］.环境科学与管理，2012，37（6）：89-104.

［6］黄兴，黄晓娴，王体健，等.南京城区上空大气一氧化碳的观测分析［J］.中国环境科学，2013，33（9）：1577-1584.

［7］CLEVELAND W S，GRAEDEL T E，KLEINER B，et al.Sunday and workday variations in photochemical air pollutions in New Jersey and New York［J］.Science，1974，186（4168）：1037-1038.

［8］石玉珍，徐永福，王庚辰，等.北京市夏季O3、NOx等污染物“周末效应”研究［J］.环境科学，2009，30（10）：2832-2838.

（编辑：程 俊）

A Study on Pollution Characteristics of Atmospheric CO in Jinan

Liu Xin1，Sun Minghu2*
（1.Shandong Provincial Metallurgical Engineering Co.，Ltd，Jinan Shandong 250101，China；2.Jinan Environmental Protection Bureau，Jinan Shandong 250101，China）

Continuous measurement of carbon monoxide（CO）at one observation point in Shandong University was carried out in Jinan from January to December 2015 to study the concentration characteristics of CO.Studies revealed that the annual mean concentration of CO was 1.431 mg/m3. CO exhibited significant diurnal variation with two peaks about 8:00 am and 21:00 pm and the trough around 15:00 pm.Diurnal variations in the different seasons were not same with the largest in winter and the smallest in summer.As to weekly variation of CO，the mean concentration in the weekend was higher than that on working days.There was an obviously seasonal cycle of CO，with the maximum in December and the minimum in July.

carbon monoxide，diurnal variation，weekly variation，seasonal variation

X511

A

1008-813X（2016）05-0075-04

2016-09-12

刘鑫（1984-），男，山东莱芜人，毕业于平顶山工学院环境工程专业，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。

10.13358/j.issn.1008-813x.2016.05.20

在近地面环境大气中，CO是不容忽视的一种污染物。它对环境的影响作用主要表现在两个方面：一是CO会直接影响人体健康。一般认为，长时间处于较高浓度的CO中，人的血液和神经系统会受到一定程度的毒害。除此之外，CO作为一种反应性气体，可以与OH自由基发生氧化反应。这一反应会削弱大气的氧化能力，从而导致大气中微量气体如CH4、O3的寿命增长，进而影响对流层大气化学过程，加剧温室效应［1］。

自Migeotte等于1952年首次对大气中CO进行观测以来，国内外在多个全球或者区域大气本底站开展了一系列CO观测［2-3］。相比而言，在人类活动影响强烈的城市中开展的观测活动还较少。济南作为东部沿海省份的省会城市，是环保部公布的2015年中国空气污染最为严重的十个城市之一。本研究于2015年全年对济南城区大气中CO浓度进行了定点连续观测，评价了CO的污染水平，分析了CO浓度的变化特征及其影响因素，以期为济南市今后的大气污染防治工作提供参考资料。