沈阳市环境空气二氧化碳浓度时序变化及与气象关联分析_孙学斌.pdf

年 月 第 卷第 期收稿日期：作者简介：孙学斌（），男，研究方向为环境污染分析、环境监测、环境规划。通讯作者：侯乐（），女，硕士，高级工程师，研究方向为环境空气质量预报及分析。沈阳市环境空气二氧化碳浓度时序变化及与气象关联分析沈阳市环境空气二氧化碳浓度时序变化及与气象关联分析孙学斌，侯 乐，罗 敏（辽宁省沈阳生态环境监测中心，辽宁 沈阳 ）摘要：利用 年沈阳市环境空气中主要温室气体二氧化碳（）的浓度数据及气象因子观测数据，分析了 平均浓度的日和月时序变化规律，以及 浓度与气象因子的相关性。结果表明：沈阳市环境空气 浓度呈现较为明显的逐月变化规律，采暖季节 浓度明显高于非采暖期；从 小时浓度在日内变化曲线来看，春、夏、秋季曲线呈现单峰单谷形态。相关性分析也表明：在一年四季 浓度与风速间均呈现极显著负相关；在春季，浓度与气压呈极显著正相关，与气温、湿度呈显著负相关；在夏季，浓度与气温呈极显著负相关；在冬季，浓度与湿度呈极显著正相关。关键词：温室气体；二氧化碳；变化特征；气象因子中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：（），；，；，；，；，：；引言温室气体通常是指大气中吸收从地面反射的太阳辐射并重新释放的一些气体，二氧化碳（）、水蒸气、氧化亚氮、氟利昂、甲烷等都是主要的温室气体。温室气体在大气中的存在使地球大气层呈现类似温室状态，不断截留太阳辐射能量，导致地球表面温度升高，通常称为“温室效应”。作为影响地球辐射平衡最主要的长寿命温室气体，对全部长寿命温室气体的辐射强迫贡献约为，自工业化（年以前）以来，全球 浓度不断升高，其浓度增加主要是由于人为活动排放和土地利用变化向大气中释放的碳引起的。联合国政府间气候变化专门委员会（）指出，如果目前海洋和大气温度上升的趋DOI:10.16663/ki.lskj.2022.24.040孙学斌，等：沈阳市环境空气二氧化碳浓度时序变化及与气象关联分析环境与安全势保持不变，到 年，全球变暖可能会超过工业化前的（）。夏威夷莫纳罗亚天文台（美国国家海洋大气管理局（）的基林曲线测量系列显示，人为温室气体排放量增加，导致大气中、甲烷和一氧化二氮的浓度达到过去 万年中前所未有的高度，世纪 年代至今，人类活动排放的温室气体对地表温度提升影响为 。年月 日，莫纳罗亚气象台监测数据表明，环境空气 浓度大于 ，创造了 万年以来的 浓度历史记录；同时认为 浓度的升高，主要责任在于人类。研究环境空气中温室气体浓度演变规律对于认识温室气体污染状况及分析温室气体污染来源有着重要意义，国内学者对城市环境空气中 浓度的监测和研究起步相对较晚，对于大气 与气候的宏观研究有一定研究，对于空气中 浓度规律研究较少，相关数据对于城市污染模式、气体排放模式的建立和环境应用都有着科学价值。相关研究表明，浓度受较多环境因素的影响，其中包括温度、湿度、风速以及下垫面条件等。赵亚芳、王佳等研究表明，城市大气 平均浓度上升速率高于青海瓦里关全球大气本底站同期水平；浓度四季变化普遍表现为夏季低、冬季高；浓度日变化多表现为早晚高、午后低的双峰结构、。武晓琪、朱淑艳、覃小玲等温室气体排放清单研究表明，城市大气 主要来源于能源活动，其中化石燃料燃烧占据了绝大部分 。化石燃料燃烧排放的二氧化碳约有一半留在大气中，导致气温上升，而另一半被天然陆地和海洋碳库吸收 的数值模拟方面，已产生了多种模型。赖学江等 采用数值方法，建立了 浓度扩散的数学模型，计算结果表明冷放空时 浓度扩散以及引起的温度变化对平台直升机起降及直升机平台上的工作人员安全均未产生不安全的影响。张宁、刘青君 研究实证结果表明：行业的二氧化碳影子价格整体均呈现上升趋势，与全国水平相比，省级分行业的碳强度仍然有较大的下降空间。林坤荣 采用协同度模型测度粤港澳大湾区 和大气污染物的协同减排效应，研究结果表明，粤港澳大湾区 和大气污染物协同减排水平具有显著差异。李飒等 研究表明，引入流量修正系数解决了协同工艺模拟过程中出现的气体流量不匹配问题，实现了稳态膜分离和动态循环变压吸附过程的耦合。更好地识别了能耗降低和捕集率提升的技术途径。唐英政 的实践结果表明：二氧化碳智能爆破系统的应用可以大幅度降低工作面炮掘过程的安全事故，安全经济效益显著。的回收与利用也是一项重要的课题，二氧化碳在化工生产中通常以副产物的形式产生并存在，如果直接排放到大气中会对环境造成危害，相反加以回收与利用一方面可以保护环境，另一方面也可以变废为宝，带来可观的经济效益。目前工业上二氧化碳的回收方法主要有吸附法、吸收法和膜分离法。刘育滨等 介绍了吸附法与液化提纯技术相结合的二氧化碳回收技术，回收钢铁厂工业废气，生产 二氧化碳，作为搅拌气源应用于炼钢吹炼过程，具有稳定、节能、提取率高等特点。在 年前碳达峰和 年前碳中和的目标是我国向国际社会的严肃承诺，这也是科研院所和相关企业推动绿色低碳转型、优化能源结构的重要机遇。对于二氧化碳，一方面是减少二氧化碳的形成，大力发展清洁能源；另一方面，有必要很好地利用资源中的碳氢化合物。沈阳市是中国东北地区的中心城市、中国重要的工业基地和先进装备制造业基地，位于我国东北地区辽河平原中部地区，能源利用结构以煤炭为主，具有工业排放、燃煤、交通污染等综合污染源。在全球变暖的气候背景下，在碳减排的迫切需要下，分析总结二氧化碳的时序变化及气象关联尤为重要。本文以环境空气温室气体 浓度数据和气象观测数据为基础，分析 浓度时序变化特征，建立“污染源空气质量”响应关系，分析 浓度在不同的季节和时刻演变趋势，分析影响 浓度气象因素，以期为沈阳市温室气体防治政策提供参考。材料与方法 研究区域及天气背景沈阳市位于辽河平原的中部，是辽宁省的省会城市，全市海拔最高为 ，位于市区的东北角，最低海拔是，位于市区的西部，全域拥有个市，个县，辖区面积是 万，其中沈阳市辽中区的面积达 。沈阳地区位于中纬度西风带。冬季，地面和高空以偏北气流为主，气流来自大陆的西部地区，因此沈阳地区冬季气温低，下垫面容易降温，导致逆温层出现，加上冷空气过后气团退化的减弱，风力小且气压梯度减小，这种特殊的天气条件对很容易形成雾霾天气。研究表明，对沈阳市影响较大的高空天气形势分为高压脊、平直西风带、蒙古高压下均压场和北上气旋类，地面天气形势有长白山小高压，低压槽，倒槽和均压场。监测点位沈阳市现有 、等个环境空气自动监测点位实时在线监测 等参数。本研究选择数据时段为 年月日至 年 月 日。对应时间段内的气象要素实况监测数据来源于沈阳市气象部门自动观测气象站。这些点位与国家和省的环境 年 月绿 色 科 技（）第 期空气质量监测数据平台实时联网，监测数据可以实时上报至国家和省相关管理机构，为国家、省、市大气环境管理提供了重要的数据支撑。仪器及方法 监测仪器采用美国 公司生产的 型自动监测分析仪，分析方法为通过对比红外光在被测样品气和参考气体的不同吸收量测量 浓度。环境空气自动监测仪器按照环境保护部 国家环境空气监测网络质控手册（温室气体监测站）等相关标准及要求进行质量控制，确保数据的可靠性。结果与分析 二氧化碳（）浓度时序变化特征分析 二氧化碳（）浓度年变化特征有研究结果表明，地球大气中 的人为源主要包括煤、石油、天然气等矿物燃料燃烧，的自然源主要包括动植物呼吸释放，的主要汇是植物光合作用和海洋吸收。由图可以看出，月均浓度值较低的月份为月份，较高的月份为月、月和 月份。从季节来看，冬季 浓度较高，夏季较低。这是因为在每年春季气温较低的月份，日照强度低，太阳辐射较弱，植物光合作用对 的吸收减少，因此，环境空气 浓度相对较高。随着夏季到来，气温回升，光照增强，植物的光合作用最强，此时，城市供暖燃煤排放量降到最低，因此月份前后环境空气中 浓度处年度较低水平。月份后，植物的光合作用开始减弱，再加上沈阳市冬季受采暖影响，化石燃料的消耗量大幅增加，排放源强增加，因此冬季月份沈阳市 处于较高水平。图 浓度月变化 二氧化碳（）浓度日变化特征从 浓度日变化曲线来看，春、夏、秋季曲线呈现单峰单谷结构，冬季曲线除单峰、单谷外还出现一个次峰。春夏季节，小时浓度峰值出现在：左右，在：左右 小时浓度出现谷值，主要因为日间对流作用明显，加之植物光合作用强，部分 被植物光合作用所消耗，导致浓度降低；傍晚植物光合减弱，呼吸相对增强，人为源排放强度加大，浓度开始逐渐上升；经过一夜的累积，早上：左右浓度呈现出较高的特点（图）。秋冬季峰值出现的时间明显晚于春夏季，这可能与太阳辐射有关。冬季：左右 小时浓度出现次峰，分析其原因，可能是由于化石燃料燃烧造成的源排放量（如机动车尾气排放、冬季供暖燃煤等）增大导致的，傍晚高峰的人流量、车流量增加，户外活动增加，造成排放的 增多，整体呈上升趋势，边界层较低，扩散条件差，污染物浓度对源变化比较敏感，因此在变化曲线上表现出次峰结构。而此后时段，随着交通、燃煤等人为活动减少，排放量降低，浓度随之逐步降低。二氧化碳（）浓度与气象因子相关性分析城市空气质量不仅直接关系到城市本身的排放源，而且与城市的天气状况有着非常密切的关系。近年来，虽然沈阳大力控制大气污染，因此空气质量得到了一定改善，但由于地形和特殊的天气条件，不利于大气污染物的稀释和扩散，导致沈阳地区的空气质量与人民需求存在一定差距。沈阳地区冬季取暖期长，冬季逆温频率高，使得类似“大锅盖”效应的逆温层非常突出，严重抑制和影响了空气污染物的扩散和输送。受季风的影响，冬春两季频繁出现的强风，也造成了城市的空气污染，产生大量沙尘。由于城市污染源是暂时不变的，所以分析天气对空气污染的影响对城市空气污染控制和空气污染预报具有重要意义。为了分析气象要素对环境空气 浓度的影响程度，利用 相关分析方法，分析平均气温、风速、相对湿度、大气压强等气象要素与 浓度日均值间相关性。相关系数法是一种非参数统计量，其值与两组相关变量的具体值无关，而仅仅与其值之间的大小关系有关 秩相关依据两列成对等级孙学斌，等：沈阳市环境空气二氧化碳浓度时序变化及与气象关联分析环境与安全图 日变化曲线的各对等级数之差进行计算。相关系数法仅对个变量的观测值要求是成对等级的，针对各对等级数之差进行计算，而对数据条件则不需要严格的要求，具有不受离散群值影响的优势，已广泛运用于定量分析污染变化趋势。秩相关系数计算公式为：（）（）（）式（）、（）中：为 秩相关系数；为对应变量的秩之差；为观测对象的数量。相关结果见表，可以看出，日均浓度与各气象要素之间的相关性在全年以及不同季节存在差异。从全年数据来看，平均气温、风速、相对湿度、大气压强与 浓度间相关性均达到极显著水平。从不同季节看，风速与 浓度四季均为负相关，其中，秋季相关性最显著，达到 ；平均气温与 浓度春、夏季为负相关；相对湿度与 浓度冬季为正相关，春季则为负相关；大气压强与 浓度春季为正相关。气象因素对 浓度的影响可能与地理位置及温室气体来源等因素有着关联 。表 与气象因子的相关性分析项目春季夏季秋季冬季全年风速 平均气温 相对湿度 大气压强 注：在 水平（双侧）上显著相关；在 水平（双侧）上显著相关。结论与建议（）沈阳市环境空气 浓度呈现较为明显的年变化规律，冬季受采暖期化石燃料的消耗量大幅增加，排放源强增加影响，浓度处于较高水平；夏季 浓度最低。（）从 浓度日变化规律来看，春、夏、秋季曲线呈现单峰单谷结构，冬季曲线除单峰、单谷外还出现一个次峰，浓度变化可能受人为源排放规律和植物碳汇作用规律共同影响。（）浓度与不同气象要素相关性分析表明，在一年四季 浓度与风速间均呈现极显著负相关；在春季，浓度与气压呈极显著正相关，与气温、湿度呈显著负相关；在夏季，浓度与气温呈极显著负相关；在冬季，浓度与湿度呈极显著正相关。建议结合环境空气质量改善和碳达峰，制定气候与环境友好型的大气污染防治联防联控战略，推动产业发展向创新发展与绿色发展双轨转变，逐步完善沈阳“大气污染物与二氧化碳协同减排”地方标准体系，协调控制环境空气污染物和 等温室气体的排放量。参考文献：周存宇大气主要温室气体源汇及其研究进展生态环境，（）：郭英楠大气