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）%。根據預測2000年的預測，美國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導致世界溫度的增加。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。世界各國之間的氣候學組織、美國國家海洋和大氣局在世界各地建立了許多氣體站。通過建立全球觀測網，將全球碳軌跡的時空變化與長期傳播模型結合起來，研究世界碳循環(huán)。與此同時，許多國家實施了區(qū)域大氣co監(jiān)測，一些國家實施了城市大氣co監(jiān)測。中國很少有關于全球碳濃度的監(jiān)測和研究的工作。這項研究主要集中在西北偏遠地區(qū)，很少有研究城市碳濃度的。為此，中國科學院大氣物理研究所從1993年開始長期觀測北京的co-2濃度，并從1999年開始每天24小時內進行采樣。根據評估結果，本文對北京氣脈co濃度變化特征及影響因素進行了初步分析。1空氣中co濃度的采樣、檢測采樣點設在中國科學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,經采集罩收集,過濾后通過輸氣管路直達分析實驗室內(采樣管材質為聚四氟乙烯,外徑6.3mm,內徑4mm).1992-11開始,每周采樣1次,每次同時采集2個重復樣品.樣品存儲于0.8L內表面電鍍拋光的不銹鋼瓶中.采樣在北京時間14:00～15:00時進行,此時大氣混合層較高,所采的樣品和自由對流層的狀況接近.1999-08起至今采用溫室氣體連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)每間隔3min取樣一次,24h連續(xù)運轉.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3m,內徑2mm,內填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化為CH4,然后用氣相色譜儀上的氫火焰離子檢測器(FID)檢測.樣品中CO2濃度的定量采用外標曲線法.標準氣來自中國國家標準物質中心和美國國家標準局(NIST).全天24h不間斷采樣中每小時所采20個樣品CO2濃度的平均值作為該小時的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據同等對待,但剔除超過5倍方差明顯不合理的數據.如果一天中3h以上的時間沒有濃度數據,則這天的數據不參加當月小時平均濃度的計算.根據周樣CO2平均濃度計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個月平均濃度的平均值.2結果與討論2.1北京大氣cod日變化形式我國北方地區(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濃度最低值均出現在北京時間15:00時前后(13:00～17:00時),其原因是此時植物光合作用和對流輸送等CO2匯很活躍,筆者所監(jiān)測的對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的時間隨季節(jié)變化:夏季和春季CO2濃度全天最高值出現在06:00時,而冬季和秋季全天最高值在22:00時出現.夏季17:00時以后植物光合作用和對流輸送變弱,也就是說大氣CO2匯強度逐漸減弱,土壤和生物呼吸以及工業(yè)生產等產生的CO2便在近地層大氣中積累,CO2濃度便逐漸上升,一直到06:00時左右出現峰值,在日出后才開始下降.冬季19:00～22:00時是北京一天中的2個采暖高峰時段之一,22:00時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源強度減弱,致使CO2濃度開始降低.夏季瓦里關山大陸本底站(36°18′N,100°54′E)CO2濃度在北京時間07:00出現最高值,最低值出現在15:00～18:00.除去因所處經度不同導致的時差后(瓦里關山和北京經度相差約15.5°,時間相差約1h,即瓦里關山日出比北京晚1h),兩地最高值和最低值在一天內的出現時間基本相似,表明夏季北京城市人類活動對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,瓦里關山在白天溫度較高的11:00～17:00(相當于北京的10:00～16:00)大氣CO2濃度較高,其余時間相對低一些.北半球溫帶陸地植物冬季大多已經落葉,陸地植被在一天內的各個時段CO2光合匯都很弱.瓦里關山白天大氣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,而其余時間較高.溫度較低時大氣CO2濃度較高是取暖燃燒化石燃料排放出大量CO2的結果.北京與瓦里關山的對比說明,人為取暖活動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.瓦里關山站夏季小時濃度日振幅約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微弱,工業(yè)污染也較嚴重,但北京冬季大氣CO2日變化沒有出現蘭州市那樣的情形,原因可能與地形有關,有待于進一步研究.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在6～8月份,變動范圍為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,變動范圍為421.5～441.0μmol·mol-1.在全年最高值的出現時間方面,北京與清潔區(qū)域明顯不同.瓦里關山站和美國夏威夷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的時間與瓦里關山相同,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比華北興隆區(qū)域站(39°48′N,116°57′E)、瓦里關山站和夏威夷MaunaLoa站所觀測到的相應值高(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干擾程度和植被的季節(jié)變化幅度成正相關,也就是說距離人類活動越近,人類活動影響強度越大,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.說明人為活動強度和植被季節(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,大氣對流弱,同時由于絕大多數植物已經落葉,未落葉的常綠植物光合固定CO2的能力也很低,大氣CO2源強度全年最大而匯最弱導致冬季大氣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大氣CO2強排放源,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,植物光合作用強烈,可快速固定大氣中的CO2,夏季對流也活躍,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源強度較弱而匯在全年4個季節(jié)中最強,因而CO2濃度為全年最低值.上述分析說明,人為取暖活動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—長期變化對北京大氣CO2濃度8年的連續(xù)監(jiān)測表明,北京大氣CO2濃度沒有象瓦里關山和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,平均增長率為3.7%·a-1,1995年達到最高峰;1996～2000年呈緩慢下降趨勢,平均下降率為0.9%·a-1,并在下降中有較大的年際波動,但在整體濃度水平上要比瓦里關山和MaunaLoa平均高9.3%.圖4對1993～2000年北京市化石燃料年消耗量與大氣CO2濃度的變化趨勢進行了對比.圖4顯示出1993～1995年化石燃料年消耗量與大氣CO2濃度的變化趨勢相同,都接近直線上升.但1996年以后,兩者的走勢有所不同,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關系,相關性接近顯著水平(R=0.695,n=8,P=0.055).進一步分析發(fā)現,北京市煤炭年消耗量與大氣CO2濃度顯著正相關(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排放源強度基本穩(wěn)定.大氣CO2濃度的緩慢降低意味著存在一個逐漸增大的大氣CO2匯,這個匯是不是面積逐漸增大的北京城市植被需要進行更深入的研究才能證實.3大氣co的季節(jié)變化特征(1)北京大氣CO2日變化強烈,模式是在北京時間15:00時