臨安區域大氣本底站溫室氣體研究進展*

徐宏輝 劉 潔 浦靜姣 馬千里

(1．浙江省氣象科學研究所，浙江 杭州310017;2．浙江省氣象局，浙江 杭州310002;3．臨安區域大氣本底站，浙江 臨安311307)

0 引言

CO2，CH4，N2O，SF6，氫氟碳化物和全氟化碳等是影響全球溫度的主要溫室氣體。隨著全球工業化進程的不斷加快，人類活動造成的大氣中溫室氣體濃度的升高顯著影響了全球的氣候、生態環境、經濟等各方面。政府間氣候變化專門委員會(IPCC)于2007年發布的第4次評估報告指出，過去50 a監測到大部分全球平均溫度升高，非常可能(＞90%可能性)是由于人為排放使溫室氣體濃度增高所造成［1］。

臨安區域大氣本底站坐落在浙江省臨安市橫畈鎮大羅村，東經 119°44'，北緯 30°18'，海拔138．6 m。該站常年平均氣溫15．3℃，年均降水量約1480 mm，四季分明，盛行風向以東北風和西南風為主，特殊天氣現象和逆溫層的出現頻率很低，具有典型的亞熱帶季風區的氣候和大氣環流特征，能夠很好的反映長江三角洲區域大氣本底的特征。臨安區域大氣本底站是聯合國世界氣象組織全球大氣觀測網(GAW)區域大氣本底站，也是我國科學技術部國家大氣成分本底野外觀測研究站。

20世紀80年代，臨安區域本底站開展了短期的溫室氣體濃度觀測［2］，為我國溫室氣體研究積累了寶貴經驗。自2006年以來，臨安區域本底站開展了溫室氣體瓶采樣測量CO2和CH4的觀測實驗。2008年開始，陸續開展溫室氣體在線觀測項目以及鹵代溫室氣體的瓶采樣觀測實驗。

1 溫室氣體觀測

1．1 氣瓶采樣觀測

大氣樣品采樣及實驗室集中分析均參照WMO/GAW 推薦的方法進行［3，4］，采樣設備包括便攜式采樣器和Flask硬質玻璃瓶，為保證采樣質量，采樣時2個Flask瓶串聯，用當地空氣充分沖洗后加壓至1．2～1．5 atm，采樣頻率為1次/周，采樣選擇在正午至下午時段采樣(此時大氣混合層較高，采集的樣品和自由對流層接近);采樣期間主要避開雨、霧、霾、沙塵等天氣，風速需大于2 m/s。CO2濃度用非色散紅外吸收方法(NDIR)分析［5］，CH4濃度用氣相色譜 - 火焰化離子檢測法(GC-FID)分析。從2010年9月開始，鹵代溫室氣體罐采樣系統也投入運行。

根據2006年9月—2007年8月期間觀測資料，觀測期間臨安區域本底站大氣CO2濃度平均值為387．8×10-6，比同期青海瓦里關全球本底站的平均濃度高了 4．3 × 10-6［6］。如圖1［7］，臨安區域本底站 CO2濃度2008年平均值達到了393．8×10-6，比2007年增長了5×10-6。而全球 2008年平均濃度為 385．2×10-6，比2007年增長2×10-6。臨安區域本底站CH4濃度2008年平均值達到了1892×10-9，比2007年增長21×10-9。而全球2008年平均濃度為1797×10-9，比2007年增長率為7×10-9。由此可見，長江三角洲地區CO2和CH4具有本底濃度高，增長速度快的特征。此外，從圖1也可以看出臨安區域本底站受到長江三角洲經濟圈人類活動的影響，CO2和CH4濃度波動較大。

圖1 2006年8月—2009年7月臨安區域本底站Flask瓶采樣分析的CO2和CH4濃度分布

1．2 在線觀測系統

2008年以來，在臨安區域本底站開展了多種溫室氣體及相關微量成分本底值協同觀測。目前，CO2/CH4(Picarro)多層在線觀測方案優化后已投入運行;N2O/SF6/CO雙通道氣相色譜(GC-FID/ECD)在線觀測系統在設計、調試后投入運行。

1．2．1 CO2/CH4在線觀測系統

高精度、高分辨率CO2/CH4在線觀測系統已經設計、調試完成，并在2008年底投入運行，CO2和CH4分析精度分別達到了0．1×10-6和2 ×10-9。

該觀測系統采用的分析系統型號為Picarro EnviroSense G1301，其主要原理是用被檢測化合物的吸收光譜來測量其濃度。該分析系統主要基于光腔衰變光譜(Cavity Ring Down Spectroscopy)專利技術，其核心是透過光極快速地反復穿過氣體樣品多次，產生一種極大增益的有效光程，使光與樣品進行充分相互作用，從而實現采用小巧簡易分析儀器系統高精度測量大氣中CO2和CH4濃度變化的功能。

2010年 7月，CO2/CO在線觀測系統(G1302)開始運行，兩套系統的進氣口分別在55 m鐵塔的53 m和21 m，實現了CO2的多層在線觀測。

儀器采集的原始數據，通過質量控制與質量保證(QA/QC)體系獲得有效數據，如圖2。

圖2 數據質量控制與質量保證(QA/QC)體系

1．2．2 N2O/SF6/CO 在線觀測系統

2010年底，高精度氣相色譜-氫火焰離子化檢測器/電子捕獲檢測器(GC-FID/ECD)雙通道氣相色譜法大氣N2O/SF6/CO在線觀測、質控、數據自動化處理系統投入運行，分析精度分別達到0．2 ×10-9，0．1 ×10-12，2 ×10-9，時間分辨率是10 min。

GC-FID儀器用氣相色譜分離大氣樣品的CO/CH4，然后用氫火焰離子化檢測器檢測濃度。由于Piccaro系統已經獲得CH4濃度，GCFID測得的CH4濃度僅作儀器比對用。

GC-ECD用氣相色譜分離大氣樣品的N2O/SF6，然后用電子捕獲檢測器檢測濃度。

2 溫室氣體研究展望

2．1 溫室氣體觀測、數據集成分析研究

如圖3，在臨安區域大氣本底站設計、研發、集成的溫室氣體及相關微量成分本底值協同觀測-分析系統投入應用，初步形成了與國際接軌的觀測-采樣-分析-標校-質量控制-數據處理的方法與流程，初步形成了較為完善的標準制備和傳遞流程。進一步研究將獲得長江三角洲地區溫室氣體本底濃度變化的時空分布特征和變化趨勢，然后提交區域級分析評估報告和系列決策服務材料，為決策部門、科研機構和公眾提供科技支撐。

圖3 臨安區域本底站溫室氣體在線觀測系統的研究內容

2．2 碳源匯研究展望

現在有關CO2源與匯的研究主要包括4個方面：(1)利用渦度相關法長期而連續地測量大氣和生物圈之間的碳通量;(2)反復測量陸地生態系統和海洋系統中隨時間變化的碳總量;(3)在全球大氣取樣網站進行長期的大氣CO2監測;(4)發展動態的生態系統模型去推測過去、現在和將來陸地和海洋中的碳循環。目前全球碳循環研究的重點就在于確定“未知匯”的空間分布、幅度以及影響陸地碳匯的因素對碳匯的貢獻［9］。

目前全球碳循環研究已經確定的與人類活動有關的3個主要源是化石燃料燃燒、水泥生產和土地利用變化［10］。我國的研究人員對大陸巖溶發育過程、中國黃土、森林、地球內部等對CO2的貢獻做了研究［11］。對中國海CO2源匯的研究初步表明，南海是CO2的主要源區，東海是CO2的主要匯區，珠江河口附近的陸架海域至少在春季發生水華期間表層是大氣CO2的匯［12］。

對區域性碳排放的衡量主要基于間接數據，諸如能源組織和各國政府提供的汽油銷售記錄和能源消耗數據等。2007年，美國國家海洋與大氣管理局碳循環溫室氣體工作組開發了碳追蹤模式(CarbonTracker)［13-15］，該系統能夠處理來自全世界135個生態系統和11個海底盆地的數據，然后估算海洋、野火，以及諸如燃燒化石燃料等人類活動釋放和吸收的碳。這些數據會轉化成用不同顏色標識的碳源和碳匯的地圖。它也能夠區別自然的碳循環和那些由于人類活動導致的碳排放變化。但是該研究結果只是在比較大的空間尺度上可信，例如美國面積的1/5。只有獲得更密集的觀測數據，該方法才能產生更高的分辨率。

利用臨安區域大氣本底站CO2濃度變化特征，結合碳追蹤模式的模擬結果，研究表明：長江三角洲地區化石燃料燃燒對該地區碳源的貢獻較大，生物質燃燒的影響作用較小，生物圈和海洋是該地區重要的碳匯［7］。

3 結語

綜上所述，目前對溫室氣體的現狀及其源匯的研究，主要是在比較大空間尺度上的研究，對局部區域的研究比較少。浙江省經濟迅速發展，同時臨安區域本底站監測數據顯示CO2和CH4具有本底濃度高，增長速度快的特征，迫切需要對浙江省溫室氣體的現狀及其源匯進行系統深入的研究。

［1］ International Panel on Climate Change．Climate Change 2007：the Physical Science Basis［M］．Cambridge：Cambridge University Press，2007．

［2］ 王木林，李興生，程紅兵．大氣本底監測站的CH4，CO2和CO濃度的初步分析［C］//李興生．我國大陸和西太平洋地區大氣痕量氣體及其他化學物質的監測和研究．北京：氣象出版社，1996：172-185．

［3］ Tans P P，Thoning K W，Elliott W P，et al．Background atmospheric CO2patterns from weekly flask samples at Barrow，Alaska：optimal signal recovery and error estimates．In：NOAA Tech．Memo(ERL ARL-173)．Boulder：Environmental Research Laboratories，1989．131．

［4］ Komhyr W D，Waterman L S，Taylor W R．Semi automatic Nondispersive Infrared Analyzer Apparatus for CO2Air Sample Analyses［J］．J Geophys Res，1983，88：1315-1322．

［5］ 張曉春，蔡永祥，溫玉璞，等．大氣CO2標準氣濃度標定及采樣瓶 CO2濃度分析系統［J］．氣象科技，2005，33(6)：538-547．

［6］ 劉立新，周凌晞，張曉春，等．我國4個國家級本底站大氣CO2濃度變化特征［J］．中國科學D輯：地球科學，2009，39(2)：222-228．

［7］ 浦靜姣，徐宏輝，康麗莉，等．臨安區域大氣本底站CO2濃度特征及其碳源匯變化研究．環境科學，2011，32(08)：2221-2225．

［8］ 世界氣象組織．2008年溫室氣體公報．［EB/OL］．［2009-11-23］．http：//www．wmo．int/pages/prog/arep/gaw/ghg/GHGbulletin．html．

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［11］ 劉 強，劉嘉麒，賀懷宇．溫室氣體濃度變化及其源與匯研究進展［J］．地球科學進展，2000，15(4)：453-460．

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［15］ Peters，W．et al．An atmospheric perspective on North A-merican carbon dioxide exchange：CarbonTracker［J］．PNAS，2007，104(48)：18925-18930．