CO2、CH4濃度變化周期分析

福建省武夷山大氣背景值監(jiān)測(cè)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(jiān)測(cè)站 蘇彬彬

利用傅立葉波譜分析方法對(duì)武夷山大氣背景值監(jiān)測(cè)站摩天嶺點(diǎn)位CO2、CH4一周連續(xù)小時(shí)均值數(shù)據(jù)進(jìn)行諧波分析。結(jié)果表明：該背景點(diǎn)CO2和CH4都存在一定的變化周期，CO2主要是以12小時(shí)為周期的局地變化為主，以3.5天為周期的區(qū)域大尺度環(huán)流影響變化為其次；CH4以24小時(shí)為周期的局地變化為主。二者均以自然過(guò)程的影響變化為主，并體現(xiàn)區(qū)域大尺度環(huán)流影響，證明了該點(diǎn)位作為華東區(qū)域背景點(diǎn)的可能性。

傅立葉波譜分析 變化周期 大氣背景值 監(jiān)測(cè)

武夷山大氣背景值監(jiān)測(cè)站將點(diǎn)位設(shè)在武夷山自然保護(hù)區(qū)摩天嶺，該點(diǎn)位海拔948米，周邊自然生態(tài)良好，森林覆蓋率達(dá)95.3％，其地理位置及周邊大氣環(huán)境代表了華東區(qū)域的大氣背景狀況。二氧化碳和甲烷是造成溫室效應(yīng)的重要溫室氣體。為了評(píng)價(jià)該背景點(diǎn)CO2、CH4受大尺度環(huán)流和局地影響的變化狀況，現(xiàn)采用傅立葉分解波譜，取2009年5月的一周連續(xù)小時(shí)均值數(shù)據(jù)進(jìn)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(jiān)測(cè)點(diǎn)的優(yōu)越性。

1 分析方法簡(jiǎn)介

對(duì)某一監(jiān)測(cè)要素的時(shí)間系列,它由一系列監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)組成。對(duì)這一時(shí)間系列使用傅立葉函數(shù)進(jìn)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(dòng)，它們是相互正交的，即各不相關(guān)。最長(zhǎng)的周期等于系列的長(zhǎng)度，這個(gè)正弦波稱為基波，對(duì)應(yīng)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(shí)間間隔長(zhǎng)度的2倍。衡量某個(gè)諧波的重要性，可以用相對(duì)貢獻(xiàn)來(lái)衡量。通過(guò)統(tǒng)計(jì)各周期諧波的貢獻(xiàn)率以確定影響大小，并通過(guò)波譜分解掌握各周期波譜所具有的波動(dòng)能量，以直觀的顯現(xiàn)影響大小。

2 數(shù)據(jù)綜合分析方法

取CO2和CH42009年5月的一周連續(xù)小時(shí)均值數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉波譜分析。二者合成波復(fù)原率在95％～105％間的比例分別為97％和98％，分析結(jié)果準(zhǔn)確、有效，見(jiàn)表1。

表1 固定參數(shù)一覽表

2.1 二氧化碳傅立葉波譜分析

對(duì)二氧化碳小時(shí)均值進(jìn)行諧波分析，各波貢獻(xiàn)率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。由各波的貢獻(xiàn)率大小發(fā)現(xiàn)：波數(shù)為2和14的諧波貢獻(xiàn)較大；即以12小時(shí)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(xiàn)都較小。上述結(jié)果顯示，該點(diǎn)位二氧化碳的變化主要是以12小時(shí)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(dòng)、植物呼吸作用二氧化碳濃度升高，并略微受長(zhǎng)距離污染源影響變化的規(guī)律。各諧波貢獻(xiàn)率見(jiàn)圖1，峰值越高，貢獻(xiàn)越大；波譜分解示意圖見(jiàn)圖2，波的振幅越大，影響越大，見(jiàn)表2。

表2 各波貢獻(xiàn)率統(tǒng)計(jì)表

圖1 CO2各諧波貢獻(xiàn)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(duì)甲烷連續(xù)一周小時(shí)均值數(shù)據(jù)進(jìn)行諧波分析，各波貢獻(xiàn)率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。由各波的貢獻(xiàn)率大小發(fā)現(xiàn)：波數(shù)為7的諧波貢獻(xiàn)最大，即周期為24小時(shí)的變化占主要部分，其它周期變化的貢獻(xiàn)都較小。上述結(jié)果顯示，該點(diǎn)位甲烷的變化主要是以24小時(shí)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(qiáng)，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(guī)律。各諧波貢獻(xiàn)率見(jiàn)圖3，峰值越高，貢獻(xiàn)越大；波譜分解示意圖見(jiàn)圖4，振幅越大，影響越大。見(jiàn)表3。

表3 各波貢獻(xiàn)率統(tǒng)計(jì)表

圖3 CH4各諧波貢獻(xiàn)率示意圖

圖4 CH4傅立葉波譜分解示意圖

3 結(jié)論

3.1武夷山大氣背景值監(jiān)測(cè)站摩天嶺點(diǎn)位CO2的變化主要是以12小時(shí)為周期的局地變化為主，以3.5天為周期的區(qū)域大尺度環(huán)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(dòng)植物呼吸作用CO2濃度升高，并略微受長(zhǎng)距離污染源影響變化的規(guī)律。

3.2CH4的變化主要是24小時(shí)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(qiáng)，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(guī)律。

3.3摩天嶺點(diǎn)位自然生態(tài)良好，點(diǎn)位周邊森林覆蓋率高，且無(wú)污染源，二氧化碳及甲烷均以自然過(guò)程的局地影響變化為主，并體現(xiàn)區(qū)域大尺度環(huán)流影響，證明了其作為華東區(qū)域大氣背景值監(jiān)測(cè)點(diǎn)的優(yōu)越性。