黑龙江龙凤山区域大气本底站温室气体浓度特征及源汇研究

摘要

黑龙江龙凤山区域大气本底站是WMO/GAW区域本底站之一，也是国家野外科学观测研究站。对该地区大气中重要温室气体CO2、CH4及相关微量成分CO、H2的观测研究，一方面可以直接掌握该区域温室气体的浓度变化情况，另一方面可以估算区域源汇变化情况，为我国制定低碳节能减排决策提供基础数据和科技支撑。本研究利用龙凤山区域本底站2009～2011年大气CO2、CH4和CO高低层在线观测资料，研究了数据质量控制处理流程，局地源汇和区域传输对大气CO2、CH4和CO的影响，不同种CO2和CH4筛分方法在龙风山站的适用性以及本底浓度变化情况。此外，通过自组装、集成及调试，初步建成了气相色谱一脉冲放电氦离子化检测器系统（GC-PDHID)，对龙凤山站大气H2开展了采样分析和预研。研究表明：　　龙凤山大气CO2和CH4白天浓度低，夜间浓度高。夏季大气C07和CH4日变化振幅分别高达41.2±4.1×10-6（物质的摩尔分数，下同）和131±37×10-9，明显大于其它季节和中国其它区域站点。春、秋和冬季大气CO的日变化特征呈现双峰分布，受局地影响较大时刻出现在08:00~10:00和17:00-20:00。夏季大气CO在正午时刻达到一天中的最大值，最小值出现在晚上20:00-21:00。大气CO冬季日变化振幅最大为114±118 ×10-9，秋季次之，夏季最小为3 7±42 ×10-9。低层(采样口距离地面10m)大气CO2和CH4比高层（采样口距离地面80 m）受局地源汇影响大，在8:00~17:00时段高低层CO2和CH4浓度差异最小。地面风对CO2、CH4和CO浓度的影响在各季节略有不同，春、夏和秋3个季节E-ESE-SE-SSE扇区的风一般会带来较高浓度的CO2，其中最大抬升来自于夏季E扇区，相对于夏季CO2平均浓度388.7±0.5×10-6抬升了13.0±3.2×10-6。冬季N-NNW扇区的风会带来较高的大气CO2、CH4和CO浓度，E方向大气CO2、CH4和CO浓度最低。对于大气CO，春、夏和秋季偏南扇区对应的大气CO浓度值均较高。总的来说，地面风速越大，大气CO2、CH4和CO浓度越低，这种趋势在冬季特别明显。大气CO2、CH4和CO两两之间相关分析显示，冬季三者两两之间均呈现显著的正相关关系，其中大气CO2和CO的决定系数R2高达0.86，说明三者之间具有较好的同源性，主要源为取暧化石燃料（主要是煤）和居民生活生物质燃料的燃烧。5～9月CO2、CH4和CO两两之间几乎没有相关性，决定系数R2＜0.1。根据轨迹聚类分析和浓度权重轨迹模型(CWT)分析表明龙凤山站潜在源区主要有2个：(1)该站西北部齐齐哈尔、大庆和哈尔滨等城市地区； (2)该站西南方向长春、吉林、沈阳、抚顺和鞍山等城市地区。　　龙凤山站大气CO2的筛分方法研究表明：基于地面风日变化的筛分方法(SWDV)和基于稳健近似回归的筛分方法(REBS)在春、秋和冬季都能很好反映龙凤山大气CO2浓度的趋势变化及局地源汇对观测CO2浓度的影响，对于高浓度的非本底数据都能够较好的识别，但在夏季使用REBS方法会影响筛分的准确性，不建议在龙风山区域本底站使用REBS筛分方法。SWDV和REBS法筛分出的本底数据分别占总数据量的30.7%和58.9%。2种方法均筛分为本底浓度和非本底浓度的数据分别占总数据量的21.5%和32.0%。二者筛分的本底季平均浓度在春季相差最小为0.1±0.3×10-6，冬季和秋季次之，在夏季相差最大为4.2±1.0x10-6。典型个例分析表明，SWDV法会将白天一些受西南污染气流影响的CO2值误筛分为本底浓度，REBS法会将个别在静稳天气条件下受局地影响大的C02观测值误筛分为本底浓度。夏季局地污染状况可能被植被强烈的光合作用抵消，C02浓度变化不大，使得REBS误筛分为本底浓度，以及对于一些较低的CO2浓度值，REBS误筛分为非本底浓度，这些因素导致2种筛分方法在夏季本底浓度差别较大。　　龙凤山站大气CH4的筛分方法研究表明：SWDV、REBS和后向轨迹筛分方法(TRJ)筛分出的本底数据分别占总数据量的24.6%、44.5%和39.6%。4个季节SWDV完全把00:00~7:00和18∷00~23:00观测时段的数据筛分为非本底数据导致了其本底小时浓度数量小于其它2种筛分方法。TRJ法不能有效地筛分出龙凤山大气CH4的本底浓度及其趋势变化，特别是在夏季。SWDV和REBS法对小时标准偏差大于等于10X10-9的非本底浓度有较好的筛分，约15%的非本底数据误筛分为本底浓度，而TRJ法把32%的数据误筛分为本底浓度。不建议在龙凤山区域本底站使用TRJ筛分方法。综合考虑筛分效果和保留的本底数据量，建议使用REBS法筛分龙凤山大气CH4观测数据。　　获得了不同季节龙凤山站大气CO2、CH4和CO的季节变化和趋势变化特征：大气CO2本底浓度呈现冬季高、夏季低的季节变化特征，浓度最高和最低值分别出现在12月和7月，4月会出现一个浓度的小高值。大气CO2季振幅为36.3±1.4×10-6，明显大于海洋边界层参比值(MBL)及同纬度其它站点。大气CH4的季节变化呈现双峰分布，冬季的峰值出现在12月或1月，夏季峰值出现在7月或8月。大气CH4的季振幅高于MBL参比值，为53 ×10-9。大气CO的季节变化呈现冬季浓度高，夏季和初秋（9月）较低的特征。大气CO季振幅为156±44×10-9，明显大于蒙古Ulaan Uul和日本Ryori区域站，小于韩国Tae-ahn Peninsula区域站。2009~2011年大气CO2和CH4均呈现上升趋势，其中2010年增长最快。2009～2011年年平均大气CO2和CH4浓度均高于全球本底浓度值。　　在商用Agilent7890A型气相色谱的基础上，通过自组装、集成及调试，初步建成了气相色谱，脉冲放电氦离子化检测器(GC-PDHID)方法观测大气中H2浓度的高精度分析系统。系统采用保留时间定性，峰高定量，最低检测限约为1×10-9。对浓度约为600±10-9的标气重复进样140次用峰高定量的标准偏差优于0.3 ×10-9。系统对409.3 ×10-9~867.7×10-9范围的大气H2具有较好的线性响应。系统使用2瓶标气定量，满足世界气象组织／全球大气观测计划(WMO/GAW)对本底大气H2观测的比对目标。利用所建系统对龙凤山大气H2开展了短期采样分析和预研，观测期间龙凤山大气H2浓度波动范围在461×10-9~608×10-9之间。

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