北京城區(qū)大氣co

北京城區(qū)大氣co

在受到人類影響的溫室氣體中，污染為28.0%。2000年，環(huán)境氣體密度為280mol-1，2000年，背景氣體密度為368mol-1，高度增加（314）%。根據(jù)預(yù)測(cè)2000年的預(yù)測(cè)，美國(guó)中部空氣密度將增加到4901616mol-1。世界上以柯爾伯格為首的溫室氣體的增加可能會(huì)導(dǎo)致世界溫度的增加。世界氣溫的上升將帶來許多環(huán)境問題，如海拔高度、降水分布變異、植被分布和生產(chǎn)力變化。因此，減少污染碳和其他主要溫室氣體的排放已成為全世界的主要挑戰(zhàn)之一。世界各國(guó)之間的氣候?qū)W組織、美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局在世界各地建立了許多氣體站。通過建立全球觀測(cè)網(wǎng)，將全球碳軌跡的時(shí)空變化與長(zhǎng)期傳播模型結(jié)合起來，研究世界碳循環(huán)。與此同時(shí)，許多國(guó)家實(shí)施了區(qū)域大氣co監(jiān)測(cè)，一些國(guó)家實(shí)施了城市大氣co監(jiān)測(cè)。中國(guó)很少有關(guān)于全球碳濃度的監(jiān)測(cè)和研究的工作。這項(xiàng)研究主要集中在西北偏遠(yuǎn)地區(qū)，很少有研究城市碳濃度的。為此，中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所從1993年開始長(zhǎng)期觀測(cè)北京的co-2濃度，并從1999年開始每天24小時(shí)內(nèi)進(jìn)行采樣。根據(jù)評(píng)估結(jié)果，本文對(duì)北京氣脈co濃度變化特征及影響因素進(jìn)行了初步分析。1空氣中co濃度的采樣、檢測(cè)采樣點(diǎn)設(shè)在中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所北京325m氣象塔(38°58′N,116°22′E)32m高處.該塔位于北京市北四環(huán)中路與北三環(huán)中路之間,所處區(qū)域已屬于城市建成區(qū).空氣樣品在采樣泵的作用下,經(jīng)采集罩收集,過濾后通過輸氣管路直達(dá)分析實(shí)驗(yàn)室內(nèi)(采樣管材質(zhì)為聚四氟乙烯,外徑6.3mm,內(nèi)徑4mm).1992-11開始,每周采樣1次,每次同時(shí)采集2個(gè)重復(fù)樣品.樣品存儲(chǔ)于0.8L內(nèi)表面電鍍拋光的不銹鋼瓶中.采樣在北京時(shí)間14:00～15:00時(shí)進(jìn)行,此時(shí)大氣混合層較高,所采的樣品和自由對(duì)流層的狀況接近.1999-08起至今采用溫室氣體連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)每間隔3min取樣一次,24h連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn).用改裝過的HP5890II型氣相色譜儀分析空氣樣品中CO2濃度.通過一支不銹鋼填充柱(長(zhǎng)3m,內(nèi)徑2mm,內(nèi)填50～80目PorapakQ)將CO2與空氣中的其它組分分離后,將其在鎳觸媒催化下加氫轉(zhuǎn)化為CH4,然后用氣相色譜儀上的氫火焰離子檢測(cè)器(FID)檢測(cè).樣品中CO2濃度的定量采用外標(biāo)曲線法.標(biāo)準(zhǔn)氣來自中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局(NIST).全天24h不間斷采樣中每小時(shí)所采20個(gè)樣品CO2濃度的平均值作為該小時(shí)的CO2濃度值,并以此討論CO2濃度日變化.所有天氣狀況下的濃度數(shù)據(jù)同等對(duì)待,但剔除超過5倍方差明顯不合理的數(shù)據(jù).如果一天中3h以上的時(shí)間沒有濃度數(shù)據(jù),則這天的數(shù)據(jù)不參加當(dāng)月小時(shí)平均濃度的計(jì)算.根據(jù)周樣CO2平均濃度計(jì)算出月平均濃度并用于討論CO2濃度季節(jié)變化.CO2年平均濃度是12個(gè)月平均濃度的平均值.2結(jié)果與討論2.1北京大氣cod日變化形式我國(guó)北方地區(qū)季節(jié)劃分一般是春季(3～5月份)、夏季(6～8月份)、秋季(9～11月份)、冬季(本年度的12月份和下年度的1～2月份).北京市11月15日左右開始供暖,次年3月15日結(jié)束供暖,如把3月份劃歸春季,11月份劃歸秋季顯然都不合適.因此,在圖1中分別以1月份、4月份、7月份和10月份北京大氣CO2日變化代表冬季、春季、秋季和夏季大氣CO2濃度日變化.從圖1可以看出,北京大氣CO2濃度一年四季都存在明顯的日變化,日變化過程的季節(jié)差異較大.在所有季節(jié)全天CO2濃度最低值均出現(xiàn)在北京時(shí)間15:00時(shí)前后(13:00～17:00時(shí)),其原因是此時(shí)植物光合作用和對(duì)流輸送等CO2匯很活躍,筆者所監(jiān)測(cè)的對(duì)流層底部的一部分大氣CO2不是被植物光合消耗掉了就是被輸送到了高空.但是全天最高值出現(xiàn)的時(shí)間隨季節(jié)變化:夏季和春季CO2濃度全天最高值出現(xiàn)在06:00時(shí),而冬季和秋季全天最高值在22:00時(shí)出現(xiàn).夏季17:00時(shí)以后植物光合作用和對(duì)流輸送變?nèi)?也就是說大氣CO2匯強(qiáng)度逐漸減弱,土壤和生物呼吸以及工業(yè)生產(chǎn)等產(chǎn)生的CO2便在近地層大氣中積累,CO2濃度便逐漸上升,一直到06:00時(shí)左右出現(xiàn)峰值,在日出后才開始下降.冬季19:00～22:00時(shí)是北京一天中的2個(gè)采暖高峰時(shí)段之一,22:00時(shí)以后采暖鍋爐燃燒量降低,公路上行駛的汽車也大量減少,也就是說大氣CO2源強(qiáng)度減弱,致使CO2濃度開始降低.夏季瓦里關(guān)山大陸本底站(36°18′N,100°54′E)CO2濃度在北京時(shí)間07:00出現(xiàn)最高值,最低值出現(xiàn)在15:00～18:00.除去因所處經(jīng)度不同導(dǎo)致的時(shí)差后(瓦里關(guān)山和北京經(jīng)度相差約15.5°,時(shí)間相差約1h,即瓦里關(guān)山日出比北京晚1h),兩地最高值和最低值在一天內(nèi)的出現(xiàn)時(shí)間基本相似,表明夏季北京城市人類活動(dòng)對(duì)CO2濃度日變化形式的影響不大.冬季的情形與夏季完全不同,瓦里關(guān)山在白天溫度較高的11:00～17:00(相當(dāng)于北京的10:00～16:00)大氣CO2濃度較高,其余時(shí)間相對(duì)低一些.北半球溫帶陸地植物冬季大多已經(jīng)落葉,陸地植被在一天內(nèi)的各個(gè)時(shí)段CO2光合匯都很弱.瓦里關(guān)山白天大氣CO2濃度比晚上高的原因是白天溫度比晚上高,白天土壤呼吸排放出的CO2比晚上高.與之相反,北京大氣CO2濃度在溫度較高的下午12:00～17:00比較低,而其余時(shí)間較高.溫度較低時(shí)大氣CO2濃度較高是取暖燃燒化石燃料排放出大量CO2的結(jié)果.北京與瓦里關(guān)山的對(duì)比說明,人為取暖活動(dòng)是決定北京城市冬季大氣CO2濃度日變化形式的主要因素.春季、夏季、秋季和冬季北京大氣CO2濃度日變化幅度分別為23.2、39.0、38.7和26.2μmol·mol-1,表明北京CO2濃度秋季和夏季的日變化幅度比冬季和春季大.瓦里關(guān)山站夏季小時(shí)濃度日振幅約2μmol·mol-1,其它季節(jié)都小于0.5μmol·mol-1.北京一年四季日變化幅度都比本底區(qū)域大得多.北京大氣CO2濃度日變化總的特點(diǎn)是在所有季節(jié)CO2濃度都是白天低夜間高.這種日變化形式與蘭州市的明顯不同.蘭州市大氣CO2濃度在春季和夏季也是夜間高白天低,但在冬季白天高、夜間低,這種特殊日變化應(yīng)是由人為CO2排放晝高、夜低的變化引起的.與蘭州市一樣,北京市冬季十分寒冷,植物和微生物新陳代謝活動(dòng)微弱,工業(yè)污染也較嚴(yán)重,但北京冬季大氣CO2日變化沒有出現(xiàn)蘭州市那樣的情形,原因可能與地形有關(guān),有待于進(jìn)一步研究.2.2季節(jié)變化2.2.1大氣co的季節(jié)變化用1993～2000年同一月份CO2濃度的平均值作圖,結(jié)果見圖2.圖2清晰地表明北京大氣CO2季節(jié)變化具有如下規(guī)律:總的來說,一年中月平均濃度最低值出現(xiàn)在6～8月份,變動(dòng)范圍為367.4～371.6μmol·mol-1;最高值則在1～2月份或11～12月份均可能出現(xiàn),變動(dòng)范圍為421.5～441.0μmol·mol-1.在全年最高值的出現(xiàn)時(shí)間方面,北京與清潔區(qū)域明顯不同.瓦里關(guān)山站和美國(guó)夏威夷MaunaLoa站(19°32′N,155°35′W)等全球大氣本底站大氣CO2一般在春季(4～5月份)最高(表1).北京春季大氣CO2濃度雖然也較高,但冬季大氣CO2濃度比春季還要高,原因是人為取暖燃燒化石燃料排出大量的CO2.北京CO2濃度全年最低值出現(xiàn)的時(shí)間與瓦里關(guān)山相同,均為7～8月份,都與MaunaLoa不同(表1).北京大氣CO2濃度季節(jié)變化幅度平均值、最大值和最小值都遠(yuǎn)比華北興隆區(qū)域站(39°48′N,116°57′E)、瓦里關(guān)山站和夏威夷MaunaLoa站所觀測(cè)到的相應(yīng)值高(表1).表1還顯示出各地大氣CO2濃度季節(jié)變化幅度平均值、最大值和最小值與該地受人類活動(dòng)干擾程度和植被的季節(jié)變化幅度成正相關(guān),也就是說距離人類活動(dòng)越近,人類活動(dòng)影響強(qiáng)度越大,植被的季節(jié)變化越明顯,大氣CO2濃度季節(jié)變化幅度越大.說明人為活動(dòng)強(qiáng)度和植被季節(jié)變化幅度是決定大氣CO2濃度季節(jié)變化幅度的主要因素.2.2.2冬季大氣cod北京冬季寒冷,平均氣溫全年最低,采暖燃燒化石燃料排出大量CO2,大氣對(duì)流弱,同時(shí)由于絕大多數(shù)植物已經(jīng)落葉,未落葉的常綠植物光合固定CO2的能力也很低,大氣CO2源強(qiáng)度全年最大而匯最弱導(dǎo)致冬季大氣CO2濃度全年最高;與春季和秋季相比,由于都不存在冬季采暖燃燒化石燃料這個(gè)大氣CO2強(qiáng)排放源,大氣CO2源都比較弱,但夏季炎熱,氣溫較高,植物枝葉茂密、光照充足、降水充沛,植物光合作用強(qiáng)烈,可快速固定大氣中的CO2,夏季對(duì)流也活躍,近地面的CO2可被迅速輸送到高空以及北京市周邊地區(qū).夏季大氣CO2源強(qiáng)度較弱而匯在全年4個(gè)季節(jié)中最強(qiáng),因而CO2濃度為全年最低值.上述分析說明,人為取暖活動(dòng)和植被是決定北京大氣CO2濃度季節(jié)變化的主要因素.2.3年—長(zhǎng)期變化對(duì)北京大氣CO2濃度8年的連續(xù)監(jiān)測(cè)表明,北京大氣CO2濃度沒有象瓦里關(guān)山和MaunaLoa那樣逐年上升(圖3).從圖3可以看出,北京大氣CO2濃度1993～1995年為線性快速上升期,從1993年的(374.7±23.5)μmol·mol-1增加到1995年的(409.7±25.9)μmol·mol-1,平均增長(zhǎng)率為3.7%·a-1,1995年達(dá)到最高峰;1996～2000年呈緩慢下降趨勢(shì),平均下降率為0.9%·a-1,并在下降中有較大的年際波動(dòng),但在整體濃度水平上要比瓦里關(guān)山和MaunaLoa平均高9.3%.圖4對(duì)1993～2000年北京市化石燃料年消耗量與大氣CO2濃度的變化趨勢(shì)進(jìn)行了對(duì)比.圖4顯示出1993～1995年化石燃料年消耗量與大氣CO2濃度的變化趨勢(shì)相同,都接近直線上升.但1996年以后,兩者的走勢(shì)有所不同,化石燃料年消耗量在緩慢上升中趨于平穩(wěn),而大氣CO2濃度在緩慢下降.統(tǒng)計(jì)分析表明化石燃料總消耗量與大氣CO2濃度之間有一定的正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)性接近顯著水平(R=0.695,n=8,P=0.055).進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),北京市煤炭年消耗量與大氣CO2濃度顯著正相關(guān)(R=0.775,n=8,P=0.024<0.05),說明煤炭燃燒排放CO2是北京大氣CO2的最重要來源,其強(qiáng)度在一定程度上決定著大氣CO2濃度水平.1995年以后,北京市化石燃料年消耗量基本平穩(wěn)(圖4),也就是說大氣CO2排放源強(qiáng)度基本穩(wěn)定.大氣CO2濃度的緩慢降低意味著存在一個(gè)逐漸增大的大氣CO2匯,這個(gè)匯是不是面積逐漸增大的北京城市植被需要進(jìn)行更深入的研究才能證實(shí).3大氣co的季節(jié)變化特征(1)北京大氣CO2日變化強(qiáng)烈,模式是在北京時(shí)間15:00時(shí)