潍坊城区大气甲烷浓度变化特征

王景华，张志珍

（1.山东省冶金设计院股份有限公司，山东济南250101；2.潍坊市环境监测中心站，山东潍坊261014）

潍坊城区大气甲烷浓度变化特征

王景华1，张志珍2

（1.山东省冶金设计院股份有限公司，山东济南250101；2.潍坊市环境监测中心站，山东潍坊261014）

为研究城区近地面CH4浓度特征，于2015年在潍坊市开展了CH4连续观测实验，分析了地面风向、风速对CH4浓度的影响。结果表明，2015年潍坊城区CH4浓度均值为1.411mg/m3，季节变化特征表现为冬季高、夏季低，月均浓度分布在0.872～1.788mg/m3之间；日变化呈现出单峰型形态，凌晨高、下午低；偏西和偏南风向上，地面风速越大，CH4浓度越高，在偏东风向上，CH4浓度随风速增大而减小。

甲烷；浓度特征；季节变化；日变化；气象因素

温室气体的研究是当前大气科学和环境科学的研究热点之一。CO2、CH4和N2O作为主要的温室气体，其浓度的上升导致了全球变暖现象的出现[1]。CH4虽然是大气中的痕量气体，但因其能大量吸收红外辐射，单位浓度CH4的温室效应要比CO2大20倍[2]，这使得CH4对气候造成的影响不容忽视。CH4的来源主要分为生物源和非生物源。前者主要包括稻田、沼泽等湿地以及反刍动物的排放；后者中能源开采以及化石燃料和生物质的燃烧是最重要的排放源[3]。CH4的生物排放可以归于微生物的厌氧过程，受到温度、厌氧条件等外界环境的显著影响，表现出明显的日变化和季节变化。与生物源不同，非生物源受环境变化影响不大。存在于大气中的CH4绝大多数会被对流层中的OH所氧化；另外CH4也会与氯原子反应；除此之外，有一小部分的CH4会被微生物氧化所消耗[4]。

开展CH4观测活动，是研究CH4浓度变化规律的基础。我国对CH4的观测开始于20世纪80年代中期，1985—1987年科研人员在我国甘肃荒漠地区开始了大气观测活动，首次获取了我国内陆地区的CH4浓度数据。1991年又在全球大气基准站瓦里关开展了CH4的规范化观测[5]。随后，在北京上甸子、浙江临安和黑龙江龙凤山等区域大气本底站也陆续开展了温室气体的观测研究[6]。2000年以后，在天津近海、太湖流域等地也开展了针对CH4的观测[7-8]。但目前大多数的观测集中在湿地或者重要的野外观测站点，关于城市大气中CH4浓度的监测鲜有报道。为研究人类活动对大气中CH4的影响，本研究于2015年在潍坊市设立了大气观测点，对城市大气中的CH4浓度进行了监测，分析了CH4浓度随时间的变化特征，研究了各气象要素对CH4的影响，以期了解人为干预较强城市的CH4变化规律。

1 研究方法

1.1 采样点位及采样时间

观测点设置于潍坊学院内，潍坊学院地处潍坊市区东部，在市区主导风向的下风向，学院周围主要为商业区及居民区，附近无大型工业排放源，观测数据被认为能够代表城区大气环境。观测仪器设置在潍坊学院一教学楼楼顶（36.72°N，119.17°E），海拔高度约49 m，采样口距地面约14 m。同步观测温度、气压、湿度、风向、风速、降水量等气象因素。观测活动于2015年1月开始，至2015年12月结束。

1.2 测定方法

采用荷兰Synspec公司的Alpha115型甲烷—非甲烷总烃在线自动监测仪对大气中的CH4浓度进行测量。在采样泵的作用下，环境空气被抽入气相色谱仪，然后进入定量环，以去碳氢空气作为载气，CH4气体进入色谱柱，通过氢火焰离子检测器（FID）进行定量分析。该仪器最低检出限为0.1×10-6（体积分数）。观测为24 h连续进行，每3min测定一次CH4浓度，利用观测仪器自带的软件记录浓度数据。以每小时所采集的20个样品的CH4浓度均值作为该时间段的CH4浓度值，并在此基础上计算日均值。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 CH4浓度特征

对潍坊市2015年全年的CH4小时平均浓度进行统计分析，得到表1。

表1 CH4平均浓度、标准差、极值及中位数

从表1中可以看出，潍坊市城区环境空气中CH4的年平均浓度为1.411 mg/m3。与国内的其他观测站点相比，潍坊市的浓度与临安大气本底站的监测结果（年均值为1.41 mg/m3）相似，高于龙凤山站（年均值为1.38mg/m3）、上甸子（年均值为1.36 mg/m3）、香格里拉站（年均值为1.31 mg/m3）和瓦里关站（年均值为1.32 mg/m3）的平均浓度值[6，9]。这主要是因为潍坊和临安站均位于我国东部沿海地区，经济发达，人口密度大，人为排放量相当可观。另外，潍坊城区CH4浓度的标准差及浓度的变化范围均较大，这反映出当地环境空气里CH4浓度的变化较为剧烈，很大程度上受到了局地人为污染源的影响。

2.2 CH4季节变化

统计2015年各月份的CH4浓度均值，结果如图1所示。由图1可见，潍坊市CH4浓度的季节分布特征主要表现为，冬季（1月、2月、12月）浓度最高（浓度均值为1.733 mg/m3），春季（3月、4月、5月）和秋季（9月、10月、11月）浓度次之（浓度均值分别为1.546 mg/m3、1.240 mg/m3），夏季（6月、7月、8月）浓度最低（浓度均值为1.130 mg/m3）。其中9月份的CH4月均浓度最低，为0.872 mg/m3，1月份的月均浓度最高，达到了1.788 mg/m3。对比潍坊市CH4的浓度变化与其他研究发现[10-11]，潍坊市的CH4季节变化规律与临安站、瓦里关站和早期北京的观测结果差别较大，而与夏威夷Mauna Loa的季节分布较为相似。临安、瓦里关和北京的CH4月均浓度最高值出现在8月、9月份，浓度最低值出现在3月份前后；而Mauna Loa站的月均浓度高值出现在11月，低值出现在7月、8月份。前者CH4浓度的月际变化主要是因为CH4生物源是这些地方大气中CH4的主要来源，其排放强度随温度而变化；后者的季节变化主要受CH4汇的时间变化影响。

与这些观测不同，潍坊市出现冬季高、夏季低的季节变化特征，主要是因为，冬季潍坊地区能源消耗较大，虽然这个季节的生物源（湿地、生活垃圾堆放、污水处理）排放强度因低温而受到抑制，但非生物源仍然向大气中贡献了相当数量的CH4气体，加之冬季太阳辐射强度减弱，大气中OH自由基浓度下降至低值，CH4的消耗维持在较低的水平，除此之外冬季大气稳定度高，大气边界层高度较低，空气的对流运动不活跃，这些气象因素也有助于空气中污染物的积累，而不利于其扩散。以上这些因素综合作用，使得冬季城市空气中CH4维持在较高的浓度水平。到了夏季，城市能源消耗量降至一年中的最低水平，由非生物源贡献的CH4大幅减少；另外这一时期OH自由基浓度较高[12]，CH4汇处于较强水平，同时夏季潍坊市主要受清洁的海洋性气团影响，大气边界层高度及大气流动的活跃程度均有利于污染物的扩散，这些因素叠加使得夏季城区大气中CH4浓度出现低值[10]。对于春季和秋季，CH4的源汇和气象扩散条件介于冬季和夏季之间，这两个季节的CH4浓度水平也处于中等程度。综合分析发现，潍坊市城区大气中CH4的季节变化主要是CH4非生物排放源和汇以及气象条件的时间变化导致的。

2.3 CH4日变化

在一年和各个季节的时间尺度内对CH4浓度日变化求得平均值，结果如图2所示。从图中可以看出，2015年潍坊城区大气中CH4呈现出相当规则的单峰型日变化特征。CH4浓度在凌晨4：00～5：00时达到浓度最高值1.486 mg/m3，随后浓度逐渐下降，到15：00时达到浓度最低值1.342 mg/m3，此后浓度值不断上升，但夜间20：00时之后的浓度回升速度较之前有所放缓，浓度的上升过程直至次日凌晨再次出现浓度高值为止。CH4单峰型的日变化特征主要是受到光化学汇和边界层等气象因素的日变化影响。夜间边界层高度较低且稳定，这有利于各种源排放的CH4在近地面积累，加之夜间不存在光化学反应，CH4的消耗极少，使得CH4浓度积累至日出前达到最高[10]。而到了午后，此时CH4的光化学汇相对最强，且大气对流输送条件一般较好，CH4浓度出现最低值。

图1 CH4浓度月变化曲线

图2 CH4浓度日变化曲线

从图2中还可以看出，各季节间CH4日变化曲线存在明显差异。相比于春夏两季，秋季和冬季的CH4浓度日变化峰值出现时刻要晚1～2 h，这主要是因为秋冬季日出时刻较晚，早晨的逆温环境稍晚才能被破坏，这延长了CH4积累的时间。除此之外，各季节的日变化幅度差异也较大。夏秋两季的日变化幅度较大，分别为0.160 mg/m3和0.186mg/m3，冬春两季的日变化幅度较小，分别为0.134mg/m3和0.138 mg/m3。出现这种现象的原因可能是，冬春两季生物源受日照、温度等因素影响较大，但其排放强度较低，而非生物源作为主要排放源，其排放强度相对稳定，这使得大气中CH4不会出现较大的波动。而夏秋两季正好相反，生物源是大气中CH4的主要来源，受到温度等因素的影响较大，同时光化学反应较为强烈，使得空气中CH4易出现较大波动。综上所述，不同季节间出现日变化幅度差异的原因可以归于光化学汇强度的差异和主要排放源种类的变化。

2.4 CH4浓度与气象因素的关系

图3 不同风向的CH4浓度分布

图4 风速随风向变化

2015年潍坊市地面主导风向分别为SSW、SW、S、E，出现频率分别为28.15%、19.98%、11.55%、11.38%。通过CH4浓度与风向的关系图（图3）发现，高浓度CH4出现在NE、W、SW、SSE等方向上。NE方向上CH4浓度较高，是因为这一方向的样品样本较少，高浓度的出现具有很大的偶然性。在W、SW和SSE风向上，潍坊市CH4浓度较高，可能是受到这一方向上众多的水库、湿地的影响。分析风速与CH4浓度的关系发现，ENE和E方向上风速较大，平均风速分别为3.431m/s和2.753m/s，但这两个方向的浓度值仅为1.322mg/m3和1.393 mg/m3，在各风向浓度均值中属于较低水平，这说明偏东风对潍坊CH4起到了明显的清除作用，且风速越大清除效果越好。与之不同的是，在W、SSW和SW方向上，平均风速也达到了2.0 m/s以上，但浓度均值高达1.430mg/m3以上，且呈现出风速越大浓度越高的规律，这说明偏西风和偏南风主要起到水平输送CH4的作用，这与偏西和偏南方向上湿地较多的情况也是相吻合的。在静风条件下，潍坊市CH4浓度高达1.832mg/m3，这可能是由于静风多发生于夜晚至凌晨时段，此时大气稳定度较高，且CH4的汇较弱，这导致大气中CH4浓度偏高[10]。

3 结论

（1）潍坊城区环境空气中CH4浓度较高，且浓度波动较大；

（2）受非生物排放源以及汇的变化影响，城区CH4表现出明显的季节变化特征；

（3）一天中光化学汇和边界层等气象因素的变化导致了CH4浓度的日变化；

（4）偏西和偏南方向上，风对CH4的输送作用明显；偏东方向上，风表现为对CH4的清除。

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（编辑：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。