CO2、CH4濃度變化周期分析

福建省武夷山大氣背景值監測站 蘇彬彬

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CO2、CH4濃度變化周期分析

福建省武夷山大氣背景值監測站 蘇彬彬

利用傅立葉波譜分析方法對武夷山大氣背景值監測站摩天嶺點位CO2、CH4一周連續小時均值數據進行諧波分析。結果表明：該背景點CO2和CH4都存在一定的變化周期，CO2主要是以12小時為周期的局地變化為主，以3.5天為周期的區域大尺度環流影響變化為其次；CH4以24小時為周期的局地變化為主。二者均以自然過程的影響變化為主，并體現區域大尺度環流影響，證明了該點位作為華東區域背景點的可能性。

傅立葉波譜分析 變化周期 大氣背景值 監測

武夷山大氣背景值監測站將點位設在武夷山自然保護區摩天嶺，該點位海拔948米，周邊自然生態良好，森林覆蓋率達95.3％，其地理位置及周邊大氣環境代表了華東區域的大氣背景狀況。二氧化碳和甲烷是造成溫室效應的重要溫室氣體。為了評價該背景點CO2、CH4受大尺度環流和局地影響的變化狀況，現采用傅立葉分解波譜，取2009年5月的一周連續小時均值數據進行分析，確定二者的變化周期及受影響狀況，證明其作為大氣背景值監測點的優越性。

1 分析方法簡介

對某一監測要素的時間系列,它由一系列監測數據組成。對這一時間系列使用傅立葉函數進行諧波分析，可以分解為一系列的正弦波。通常這些正弦波有各種周期波動，它們是相互正交的，即各不相關。最長的周期等于系列的長度，這個正弦波稱為基波，對應的周期稱為基本周期。其余各正弦波稱為諧波，它們的周期分別是基本周期的1/2，1/3，1/4，…，最短的周期為時間間隔長度的2倍。衡量某個諧波的重要性，可以用相對貢獻來衡量。通過統計各周期諧波的貢獻率以確定影響大小，并通過波譜分解掌握各周期波譜所具有的波動能量，以直觀的顯現影響大小。

2 數據綜合分析方法

取CO2和CH42009年5月的一周連續小時均值數據進行傅立葉波譜分析。二者合成波復原率在95％～105％間的比例分別為97％和98％，分析結果準確、有效，見表1。

表1 固定參數一覽表

2.1 二氧化碳傅立葉波譜分析

對二氧化碳小時均值進行諧波分析，各波貢獻率的統計結果見表2。由各波的貢獻率大小發現：波數為2和14的諧波貢獻較大；即以12小時為周期的變化為主，以3.5天為周期的變化為其次；其它周期變化的貢獻都較小。上述結果顯示，該點位二氧化碳的變化主要是以12小時為周期的局地日變化為主，以星期為周期的大尺度影響為其次，反映了白天植物光合作用消耗二氧化碳濃度降低，以及晚上動、植物呼吸作用二氧化碳濃度升高，并略微受長距離污染源影響變化的規律。各諧波貢獻率見圖1，峰值越高，貢獻越大；波譜分解示意圖見圖2，波的振幅越大，影響越大，見表2。

表2 各波貢獻率統計表

圖1 CO2各諧波貢獻率示意圖

圖2 CO2傅立葉波譜分解示意圖

2.2 甲烷傅立葉波譜分析

對甲烷連續一周小時均值數據進行諧波分析，各波貢獻率的統計結果見表3。由各波的貢獻率大小發現：波數為7的諧波貢獻最大，即周期為24小時的變化占主要部分，其它周期變化的貢獻都較小。上述結果顯示，該點位甲烷的變化主要是以24小時為周期的局地日變化為主，反映了白天植物和落葉隨著溫度和日照的增強，甲烷生成量增加而濃度升高，以及晚上隨著溫度降低、日照消失，甲烷濃度下降的規律。各諧波貢獻率見圖3，峰值越高，貢獻越大；波譜分解示意圖見圖4，振幅越大，影響越大。見表3。

表3 各波貢獻率統計表

圖3 CH4各諧波貢獻率示意圖

圖4 CH4傅立葉波譜分解示意圖

3 結論

3.1武夷山大氣背景值監測站摩天嶺點位CO2的變化主要是以12小時為周期的局地變化為主，以3.5天為周期的區域大尺度環流影響變化為其次。反映了白天植物光合作用消耗CO2濃度降低，以及晚上動植物呼吸作用CO2濃度升高，并略微受長距離污染源影響變化的規律。

3.2CH4的變化主要是24小時為周期的局地變化為主。反映了白天落葉隨著溫度和日照的增強，甲烷生成量增加而濃度升高，以及晚上隨著溫度降低、日照消失，甲烷濃度下降的規律。

3.3摩天嶺點位自然生態良好，點位周邊森林覆蓋率高，且無污染源，二氧化碳及甲烷均以自然過程的局地影響變化為主，并體現區域大尺度環流影響，證明了其作為華東區域大氣背景值監測點的優越性。