PDF《北京市两种主要温室气体浓度的日变化》

第1

1 卷第1

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0 6年1气候与环境研究Cl i ma t i c a n d En v i r o n me n t a l Re s e a r c h Vo l .

1 1 No .

1 J a n .

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0 6 期月北京市两种主要温室气体浓度的日变化 李晶王跃思 刘强'

王明星 中国科学院大气物理研究所,北京

1 0

0 0

2 9 摘要通过对北京地区C H

4 和C

0 2 浓度日 变化将近一年的连续监测和数据分析, 发现它们日 变化从总体上 来看具有较强的规律性,C

0 2 的日 变化有明显的双峰结构,而CH,则是单峰的结构.化石燃料的燃烧,对CO2日变化峰值出现的时间有着明显的影响, 且C H ;

和C

0 2 的日 变化具有较好的相关性.源汇强度的变化和昼夜气 象因素的周期变化,是两种温室气体形成稳定日变化形式的主要因子. 关键词 温室气体 C H , C O : 日 变化 文章编号

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0 6 -

9 5

8 5 (

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0 6 )

0 1 -

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4 9 -

0 8 中图分类号 P

4 0

2 文献标识码 A D i u r n a l V a r i a t i o n o f T w o G r e e n h o u s e G a s e s i n B e i j i n g L I J i n g , WA N G Y u e - S i , L I U Q i a n g , a n d WA N G Mi n g - X i n g I n s t i t u t e o f A t m o s p h e r i c P h y s i c s , C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s , B e i j i n g

1 0

0 0

2 9 A b s t r a c t O n e y e a r c o n t i n u o u s m e a s u r e m e n t s o n m e t h a n e a n d c a r b o n d i o x i d e w e r e c a r r i e d o u t i n B e i j i n g . T h e i r d i - u r n a l v a r i a t i o n a n d r e l a t i o n s h i p a r e s t u d i e d i n d e t a i l . A n a l y z i n g r e s u l t s i n d i c a t e t h a t d i u r n a l v a r i a t i o n o f c a r b o n d i o x - i d e h a s a p a t t e r n w i t h t w o p e a k s , w h i l e m e t h a n e '

s d i u r n a l v a r i a t i o n w i t h o n e p e a k . S t a t i s t i c a l a n a l y s i s a l s o s h o w s t h a t c o r r e l a t i o n o f t h i s t w o g r e e n h o u s e g a s e s '

d i u r n a l v a r i a t i o n i s h i g h l y s i g n i f i c a n t . T h e p a t t e r n o f t h e s e t w o g r e e n - h o u s e g a s e s '

d i u r n a l v a r i a t i o n c a n b e a t t r i b u t e d t o p e r i o d i c a l v a r i a t i o n o f d a i l y m e t e o r o l o g i c a l f a c t o r a n d t h e i r s o u r c e - s i n k s t r u c t u r e . K e y w o r d s g r e e n h o u s e g a s e s , C H

4 , C

0 2 , d i u r n a l v a r i a t i o n

1 引言 地球大气中C

0 2 , C H , , N

2 O ,

0 , , C F C s 等 温室 气体的 总浓度仅占 大 气浓度的0 .

1 % 左右[

1 l 已有的监测实验和研究都表明,从工业化革命以 来大气中这些温室气体的浓度发生了显著的变 化, -

4 ] . 其中C 姚、C H 、 是受人类活动影响较明 显的两种主要温室气体.目前,在全球长寿命且 均匀混合的温室气体浓度变化引起的辐射强迫中, C

0 2 占6

0 0

0 , C H 、 占2

0 %. 对大气中C

0 2 和C H

4 行为的研究, 将有助于人们了解地球气候的变化 过程, 有利于改进预测气候的未来变化趋势. 大气中C

0 2 的主要源有化石燃料燃烧、水泥 生产、土地利用变化、生物呼吸、海洋吸收等;

主要汇包括陆地生态系统光合作用、海洋吸收、 沉积在陆地和海洋中的有机和无机碳[

5 ,

6 1 .而大气 中C H , 的源来自 各种微生物厌氧过程及燃烧和能 源开采过程;

主要的汇是与对流层中的O H相互 作用而消失[

7 , s

1 . 从大气中C O Z 和C H , 的源汇构成 收稿日 期2004-03-16收到,2

0 0

5 -

1 1 -

0 5 收到修定稿 资助项目 中国科学院知识创新工程重大项目K Z C X I - S W-

0 1 和国家自 然科学基金资助项目4

0 2

2 2

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2 作者简介 李晶,女,1

9 7

2 年出生,博士,副研究员.主要从事温室气体和污染物等方面的观测和数值模拟研究. E - m a i l : l j i n g )m a i l . i a p . a c . c n 二 大气物理所博士研究生,现已到中国科学院青藏高原研究所工作 气候与环境研究Clima t i c a n d E n v i r o n me n t a l Re s e a r c h _ _

1 1 Vo l .

1 1 来看,它们具有一定的同源性,即化石燃料的燃 烧对它们在大气中浓度的变化产生较大的影响, 尤其是在城市这种人类活动密集的地区,这种影 响可能更大.因此有必要对二者在城市大气中的 浓度变化进行对比 研究. C O , , C H , 在大气中浓度的变化一直受到人们 的关注. 持续性的大气中C O : 浓度的直接监测大 约从2

0 世纪中叶开始[

9 [ ;

对全球大气中C H ;

浓度 有代表性的系统观测是从

2 0世纪

8 0年代开始 的[ [

1 0 -

1 2

1 .目前, 在国内国际上, 都已有对这两种 温室气体本底浓度的连续监测和研究,并相继在 全球的不同经纬度地区建立起本底监测网,但这 些台站大多建立在岛屿和海岸,在城市地区开展 高强度高密度的连续监测还不多见.近几十年来, 对于C

0 2 , C H , 已在全球或区域本底条件下进行 了长期研究,但城市地区有关 C

0 2 , C H a 的研究 尚少[

1 3

1 5 ] . 而城市作为人类活动的中心,其温室 气体浓度的变化规律对于我们认识温室气体的源、 汇有着相当大的意义,所积累的数据,对城市污 染模式、 气体排放模式的建立和应用都有很高的 应用价值. 采样系统由采集罩、过滤器、输气管路、采样泵、 时间序列采样器等组成.采样泵2

4 h 采样,可定 时将样品储存,也可直接进人 G C分析.经过长 时间的运行与不断的改造,目 前该系统运行可靠, 自 动性能好,所得数据符合实验要求的精度和稳 定性,系统已比 较完善. 采样点设在中国科学院大气物理研究所气象观 测塔 (

3 9

0 5

8 '

2 7 N ,

1 1

6 0

2 2 '

2 0 E )第3 层, 高3

2 m , 空气可自由流动.1

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9 年8月至

2 0

0 0 年7月采用 温室气体连续监测系统每间隔3 m i n自 动取样分析 一次,2

4 h 连续运转,每小时所采

2 0 个样品中 C O z 浓度的平均值作为该小时的C q浓度值.

3 数据的处理

2 实验方法和仪器 为了实现北京大气温室气体高密度的连续监 测,中国科学院大气物理所大气化学实验室自 行 研制了一套温室气体自动监测系统,该系统由样 品采集、自 动进样分析、自 动记录处理和标定等4 个部分组成.其中自动进样分析是整个监测系统 的核心,以H P

5 8

9 0 气相色谱仪为分析仪器, 对 色谱仪气路、电路加以改造,配合自行研制的自 动进样系统[

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1 , 利用气相色谱仪的控制程序完成 自 动进样、 分析.G C输出信号经过控制计算机的 数模转换后由H P

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7 0 A A化学工作站软件处理数 据, 进行积分并输出报告.这套温室气体自动监 测系统同时采用两种方法标定,以获得更好的精 度, 有效地控制系统误差:一是本套系统自身自 动进标样插标;

二是利用时间序列采样器采得的 气样, 在HP6820色谱仪上手动进样分析,作为 H P

5 8

9 0色谱仪 的对 比实验.经实践证 明, H P

5 8

9 . 系 统工作比 较稳定, 对于我们要求的 连续 变化趋势研究,其精度和稳定性都可以得到保证. 考虑到系统运转情况和实际获取的有效数据, 把1

9 9

9 年8 月到2

0 0

0 年7 月期间获得的数据作 为进一步分析的基础.

3 .

1 误差分析 }

0 实验的误差分为系统误差和偶然误差.对于 温室气体自 动监测系统的偶然误差,由于采用了 自动进样分析系统,稳定性、重复性相当好,加 上进样间隔短, 数据密度大,作为小时平均所得 的结果可以把偶然误差降到最低,因此偶然误差 相当小,可以忽略不计.温室气体自动监测系统 的系统误差来源有三方面:一是气相色谱仪的误 差;

二是C O , 转化为C H , 造成的误差;

三是采集、 进样系统造成的误差.总的来说,由于温室气体 的日 变化幅度大约为

1 0

0 0 ,而系统综合误差小近 一个量级,日 变化幅度远大于由系统误差造成的 变化幅度,故所得的数据用于日 变化形势分析是 可靠的. 另外,采样点的选择也对数据是否有代表性, 所得结果有无意义有着很大的关系.一般认为,

3 2 m处相对我们关心的气体大气混合较好,有很 好的代表性和稳定性. 综上所述,实验误差相对研究目的和要求在 许可的范围之内,所得的数据有很好的代表性, 可用于进一步研究分析.

3 .

2 处理方法

3 .

2 .

1 异常值的确定 由于实验误差的存在和极端局地气候的影响,

1 期No .

1 李 晶等: 北京市两种主要温室气体浓度的日 变化 L I J i n g >

e t a l . D i u r n a l V a r i a t i o n o f T w o G r e e n h o u s e G a s e s i n B e i j i n g 原始实验数据中不可避免的存在一些异常值.为 了能使实验数据更真实地反映北京温室气体日 变 化的一般规律,需要把这些异常值加以剔除.具 体方法如下: X . 表示某月第J 天第i 小时对浓度的测定值, X 、 表示当月第i 小时所有测定值的算术平均值, S ( X i )为相应的 标准偏差, 计算 L i , _! X一X,{S( Xi ) L . 反映了测定值对平均值的偏离程度.在正常状 态下, 测定值 X . 有一定的变化范围,也就是说 L . 在一定范围内变动是正常的,反映了浓度自身 的变化规律.当L . 超出这一范围时, 说明测定值 是不可靠的,不能反映浓度变化的真实情况.根 据经验, 在本研究中将L i ;

>

2 .

5 相应的测定值认 定为异常值,这些测定值或是实验误差太大造成 的,需要剔除;

或是极端特例,对研究 日变化的 一般规律来说, 不具有代表性,也需要加以剔除.

3 .

2 .

2 数据的校正 这套温室气体自动监测系统在长时间的运行 过程中不断地发展完善,同时也存在一些不可抗 拒因素 ( 如更换标气等)对数据质量的影响. 在同一地点我们还平行进行了温室气体周平 均浓度变化的监测实验 ( 以下简称周平均实验) . 周平均实验持续时间长且比较稳定,样品用带氢 火焰离子检测器 ( F I D )的气相色谱仪 ( G C ) H P

5 8

9 0 进行分析, 仪器的灵敏度完全足以保证浓 度测定的精确度;

所用标准气分别来 自美国国家 标准局 ( N B S )和德国的I F U - F G H,这两个标气 定期互标, 并定期与日 常使用的二级标气相比较, 以保证其精确度和监视其浓度的漂移.因此,周 平均实验提供的资料可以和世界上其他资料进行 直接比较,现已有许多成果在国内外发表.周平 均实验的采样在北京时间 ( 下同)1

4 :

0 0 ^ -

1 5 :

0 0 进行, 采样频率为每周

1 -2 次,每次同时采集两 个样品, 在仪器允许的标准偏差内,每个样品分 析3次,用6次分析结果平均计算出每次采集的 大气样品中温室气体含量. 从对本次监测实验原始数据的统计分析来看, C O Z 和C H , 的浓度 日变化都在下午

1 5 :

0 0 左右达 到最小值,而且此时数据的离散度也最小 ( 具体 分析见本文以后的章节) ,说明此时采样获得的数 据最为稳定,能够代表C O : 和C H ;

在大气中的浓 度水平.所以在本研究根据周平均实验的结果对 日 变化原始数据进行再校正,以进........