济南市大气中SO2浓度变化特征研究

桑博，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.济南市环境保护局，山东济南250101）

济南市大气中SO2浓度变化特征研究

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.济南市环境保护局，山东济南250101）

为研究城区近地面SO2浓度变化特征，于2016年在山东大学对济南城市大气中SO2浓度进行了连续监测。结果表明，济南城区SO2年均浓度为0.049 mg/m3。SO2存在明显的季节变化规律，浓度最高值出现在冬季1月，最低值出现在7月。SO2在采暖季表现出明显的双峰型日变化，在非采暖季显示出单峰型日变化，这归因于非采暖季SO2排放量远低于采暖季。风向、风速与SO2扩散和输送密切相关，偏东方向，风速越大，SO2浓度越高；其他方向，风速越大SO2清除效果越好。

二氧化硫；季节变化；日变化；气象因素

SO2是近地面大气中的一种重要污染物，主要来自于火山喷发和化石燃料的燃烧[1]，而在城市区域中，SO2主要来源于后者的贡献。SO2及其氧化产物会导致酸雨，破坏生态环境[2]。大量SO2的排放，已使得我国长江以南地区成为继欧洲和北美之后的世界第三大酸雨区。我国北方城市供暖所导致的SO2污染，为大气贡献了可观的硫酸盐气溶胶，这是北方地区冬季出现雾霾天气的重要原因[3]。基于SO2的环境危害，我国将SO2作为判断城市环境空气质量状况的指标之一[4]。通过近几十年的治理，目前我国对SO2的治理已取得了一定的成效，其浓度逐年降低[5]，但其衍生物仍然是大气中的重要污染物质之一。针对SO2开展监测，仍然具有重要的现实意义。作为最早纳入到常规监测的大气污染物，国内针对SO2作了大量的研究[6-7]。但这些研究主要集中在SO2源汇方面，或者关注于某一污染事件时段的SO2变化规律，对较长时间内SO2的变化特征研究较少。济南作为东部沿海省份的省会城市，燃煤消耗大，本研究通过对2016年SO2进行逐时连续观测，讨论了SO2时间变化特征，评价了该地区SO2污染的最新现状，以期为环境保护管理部门提供准确、全面的SO2污染信息。

1 研究方法

1.1 样品采集

观测始于2016年1月1日，至2016年12月31日结束。观测点设置在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，能够代表济南城区大气环境。该站点的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32 m，采样口距地面约20 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。在对SO2进行连续监测的同时，同步观测气象因素。

1.2 实验仪器

本次观测使用的SO2分析仪器为美国热电环境仪器公司（TEI）生产的43S型紫外脉冲荧光法SO2分析仪。该仪器测量原理是被紫外线激发后的SO2分子在返回到基态时，会释放出波峰为330 nm的特征荧光，荧光强度与SO2的浓度呈线性关系（SO2浓度不太高时），通过测量其光强即可对SO2定量。分析仪最低检出限为0.6×10-9（体积分数），零漂小于1×10-9（24 h），跨漂±0.5%/7 d。仪器采样响应时间为120 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。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SO2浓度特征

对济南市山东大学监测点2016年的SO2小时平均浓度进行统计分析，得到该站点环境空气中SO2的年平均浓度为0.049 mg/m3，低于《环境空气质量标准》（GB 3095—2012）二级浓度限值（0.060 mg/m3）。与国内其他城市相比，比太原（年均浓度0.077 mg/m3）[8]、呼和浩特（年均浓度0.16 mg/m3）[9]的浓度低，但与北京(年均浓度0.022 mg/m3）[10]、大连（年均浓度0.037 mg/m3）[11]等城市相比则高很多。这种城市间的浓度差异与该城市的能源（尤其是煤炭）消耗量、清洁能源在能源结构中的比重以及污染物扩散的地理气象条件这三方面因素有着重要关系。

2.2 SO2季节变化

图1是2016年济南市SO2日均浓度的逐月变化曲线图。如图1所示，济南市SO2的季节变化呈现两头高中间低的U型分布，其中1月、2月、3月的浓度较高，月均浓度值分别为0.096 mg/m3、0.069 mg/m3、0.061 mg/m3；7月、8月、9月的浓度较低，月均值分别为0.033 mg/m3、0.035 mg/m3、0.030 mg/m3。分季节来看，春季（3月—5月）、夏季（6月—8月）、秋季（9月—11月）、冬季（12月、1月、2月）的SO2平均浓度分别为0.058 mg/m3、0.032 mg/m3、0.036 mg/m3、0.074 mg/m3，整体呈现出冬季较高，春季次之，秋季和夏季较低的季节变化特征。这与其他北方城市的研究[8，12]结果基本一致。

图1 SO2浓度月变化曲线

能源消耗以及风向风速、大气边界层高度等气象因素的季节差异是导致SO2浓度季节变化的

主要原因[13]。在SO2浓度较高的冬季，居民供暖耗煤给近地面贡献了相当数量的SO2；而在非采暖期，尤其是在夏季，除了附近的工业高架点源输送外，只有机动车消耗成品油，为大气贡献SO2。除了排放源强的差异外，冬季气象条件不利于大气中污染物的扩散，而且与SO2相关的大气光化学反应速率也较低[14]，这些因素进一步加剧了冬季与其他季节的SO2浓度差异。对于SO2浓度较低的夏季而言，大气边界层高度相对较高，大气对流活动强烈，使得SO2在垂直方向上充分稀释。另外高强度的太阳辐射促使SO2快速与大气中OH自由基以及臭氧等物质反应，氧化成硫酸盐；夏季频繁的降雨也对SO2气体起到了有效的清除作用。

2.3 SO2日变化

图2SO2浓度日变化曲线

图2 是济南市不同季节SO2浓度的平均日变化以及全年平均日变化。由图可以看出，济南城区SO2存在明显的日变化特征。在采暖季SO2日变化表现出明显的双峰型特征，而在非采暖季则呈现单峰型，这与其他城市[12]基本一致。在采暖季，SO2浓度的最高值一般出现在9：00左右，次高值出现在21：00，最低值出现在的15：00。非采暖季只在8：00—9：00出现一个浓度高值，其他时间浓度较低且平稳。

综合考虑城区污染排放源强、太阳辐射、边界层高度、风速等因素，分析SO2日变化的原因。在采暖季，自晚间浓度次高值出现之后，至第二日的6：00，SO2浓度下降并维持在较低浓度水平，这是这段时间内SO2局地排放量的减小导致的。从7：00—10：00，SO2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，城市活动开始逐渐增多，而此时太阳辐射强度仍处于较低水平，SO2的光化学消耗量较低，这使得SO2浓度快速增加，并出现峰值。10：00—15：00，SO2浓度在该时间段迅速降低，并出现一天内的浓度最低值。中午前后这段时间气温较高，SO2源排放也相对降低，与此同时太阳辐射维持在较高的强度，有利于SO2转化为SO42-的气粒反应的进行。到15：00左右，边界层高度到达最高值时，SO2浓度降到谷值。在SO2浓度降到最低值之后，一直到21：00，SO2浓度又出现上升，这归因于交通晚高峰带来的污染物排放强度上升以及大气边界层高度降低等气象因素的综合作用。

与采暖季相比，非采暖季SO2只在8：00—9：00有一个峰值，这归因于汽车尾气是非采暖季SO2的重要来源，而交通早高峰就发生在这一时段内，道路上大量的车辆消耗了大量的化石燃料，SO2以尾气的形式排入到环境空气中，加之早晨易出现逆温，且大气边界层高度较低，这使得这一时段出现浓度峰值。在一天内的其他时间段，因SO2源的排放量相对较小，尽管气象条件有日变化规律，但浓度基本维持在较稳定的低水平上。

2.4 SO2与气象因素的关系

图3 不同风向的SO2浓度分布

图4 不同风向的风速变化

地面风向和风速对SO2浓度的影响如图3、图4所示。通过SO2浓度与风向的关系（图3）发现，高浓度SO2出现在ENE、E和ESE等方向上。在城市区域，化石燃料的燃烧是大气中SO2最主要的来源，就济南市而言，对SO2有着重要贡献的钢铁、石化、火电行业企业基本都位于城市的东北、东和东南方向。在其他方向上，济南市无大型燃煤企业，大气中SO2也呈现出较低浓度水平。这说明了风向与近地面的SO2关系主要表现为对SO2的水平输送，即燃煤等污染源的下风向易出现较高浓度的SO2[12]。一般认为，风速的大小与大气扩散能力有着密切的关系，从而对大气中的污染物浓度产生影响。分析风速与SO2浓度的关系发现，ENE、E、ESE方向上风速较大，平均风速均在2.5 m/s以上，但这三个方向的SO2平均浓度高达0.070 mg/m3以上，呈现出风速越大浓度越高的规律（图4）。在偏东的其他方向上，如NE、NNE，风速较小，但SO2浓度也较小，仅为0.047 mg/m3左右。这说明偏东风主要起到水平输送污染物的作用，这与济南东部大型工业企业较多的情况也是相吻合的。在其他方向上，风速大小与SO2浓度基本呈现出负相关的关系，这说明在无工业污染源影响的情况下，风对城区近地面SO2可以起到清除作用，且风速越大清除效果越好。综上所述，风速并不单纯表现为对污染物的稀释，也可能会将较远距离的污染物输送过来。

3 结论

（1）2016年济南城区SO2年平均浓度为0.049 mg/m3，低于《环境空气质量标准》二级浓度限值。

（2）SO2表现出明显的季节变化，冬季浓度最高，春季次之，秋季和夏季浓度较低，这主要是排放源强的变化以及气象条件的季节变化导致的。

（3）采暖季和非采暖季，SO2排放量存在较大差异，这使得这两个时期的SO2日变化特征并不一致。

（4）风对SO2浓度有较大影响，偏东风对SO2的输送作用显著，表现为风速与SO2浓度成正相关关系；在其他方向，风主要表现为对污染物的清除，风速与SO2浓度成反比关系。

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（编辑：程俊）

A Study on Concentration Variation of Atmospheric SO2in Jinan

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 SO2at one observation point in Shandong University was carried out in Jinan from January to December 2016 to study the concentration characteristics of SO2.Studies revealed that the annual mean concentration of SO2was 0.049 mg/m3.There was an obviously seasonal cycle of SO2,with the maximum in January and the minimum in July.SO2exhibited a significant diurnal variation with two peaks in heating season,while the diurnal variation with one peak in non-heating season.This difference was attributed to that the emission of SO2in heating season was significantly higher than that in non-heating season.The dispersion of SO2had close relationship with wind directions and wind speeds.In the directions of east,the SO2concentration went up with the increase of surface wind speed.But the wind in other directions took away SO2more clearly,when the wind speeds were higher.

sulfur dioxide,seasonal variation,diurnal variation,meteorological factors

X511

A

1008-813X（2017）04-0078-04

10.13358 /j.issn.1008-813x.2017.04.20

2017-04-23

桑博（1987-），男，山东聊城人，毕业于山东大学环境工程专业，硕士，工程师，主要从事环境影响评价、环境监测工作。

*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。