龐泉溝國家大氣背景站CO2變化特征分析

O 周建強馬一方杜麗（.山西省環(huán)境監(jiān)測中心站 山西 03004 .中國環(huán)境監(jiān)測總站 北京 000）

龐泉溝國家大氣背景站CO2變化特征分析

O 周建強1馬一方1杜麗2
（1.山西省環(huán)境監(jiān)測中心站 山西 030024 2.中國環(huán)境監(jiān)測總站 北京 100012）

根據(jù)山西龐泉溝國家大氣背景站2014年的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了龐泉溝背景站CO2全年的濃度變化規(guī)律，并初步給出了不同季節(jié)及全年的日變化時間段內CO2的濃度變化范圍和對比情況。結果表明：CO2濃度在全年呈現(xiàn)明顯的春夏季低，秋冬季高的變化規(guī)律；由于站點選在山腳下，受植被呼吸作用的影響較大，全年均有較為明顯的日濃度變化，夏季由于光合作用顯著，日濃度變化最為明顯，相反，冬季的日濃度變化最弱。

龐泉溝；國家大氣背景站；CO2；變化；特征分析

1.引言

為反映我國區(qū)域大尺度的環(huán)境空氣質量狀況，了解我國空氣質量的背景狀況，并掌握我國環(huán)境空氣污染物的區(qū)域輸送情況，需要在我國設置一定數(shù)量的環(huán)境空氣背景監(jiān)測站，以填補國家背景地區(qū)的環(huán)境監(jiān)測空白。2009年，中國環(huán)境監(jiān)測總站向國家環(huán)保部遞交了國家空氣環(huán)境背景監(jiān)測站運行項目可行性報告，并最終確定了全國范圍內的14個背景站的建站地點，山西省龐泉溝國家大氣背景站是14個背景站中代表華北地區(qū)空氣質量背景值的監(jiān)測站點。

CO2氣體是人類活動向大氣排放的主要溫室氣體之一，它在自然條件下無法像水汽一樣發(fā)生相變進而自發(fā)調節(jié)在大氣中的含量．隨著人口的迅速膨脹，土地的過度開發(fā)利用，固碳系統(tǒng)的破壞，有的自然界碳循環(huán)體系平衡被打破。自1958年開始的CO2系統(tǒng)紅外觀測研究表明，二氧化碳濃度總體呈上升趨勢（劉曉曼等，2015）。二氧化碳等溫室氣體的逐年上升加劇了我國近年來的溫室效應，而溫室效應也很可能是引起近幾年極端天氣的重要原因。在這樣的前提下，2013年，國家總站在背景站二期項目建設中為龐泉溝背景站增加了CO2等溫室氣體的監(jiān)測項目，以反映背景區(qū)域的溫室氣體變化情況。本文根據(jù)2014年的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對龐泉溝背景站CO2全年的濃度變化規(guī)律，以及不同季節(jié)及全年的日變化時間段內CO2的濃度變化情況進行了系統(tǒng)分析。

2.研究區(qū)域及研究方法

(1)研究區(qū)域概述

龐泉溝國家環(huán)境空氣背景自動監(jiān)測站位于山西省呂梁市交城縣龐泉溝國家級自然保護區(qū)內的八道溝五花草甸，位于東經(jīng)111°28’，北緯37°50’，海拔1807米。站點所在區(qū)域內人口密度低，具備完整的自然生態(tài)，同時遠離城市與工業(yè)帶的清潔地區(qū)。自然保護區(qū)總面積105平方公里，森林覆蓋率達74%，屬溫帶大陸性氣候，一般夏冬兩季溫差大，降雨量相對較小，年均降雨量為800mm，但是小環(huán)境豐富，立體氣候明顯。區(qū)內年平均氣溫為3-4度，相對濕度為60%左右。

(2)研究方法概述

站點采用美國 Picarro G2301分析儀，可24小時連續(xù)監(jiān)測空氣中的CO2濃度，儀器采用波長掃描光腔衰蕩光譜技術（WS-CRDS），當樣氣進入吸收室后，特定波長的紅外光會在吸收室中的特制反射鏡間循環(huán)照射，若吸收室中存在CO2氣體，則會對紅外光產(chǎn)生吸收作用，通過測定紅外光隨時間的衰減程度大小，間接的測量樣氣中的CO2濃度。分析儀的最小測量間隔為5秒，背景站根據(jù)實際需要采集儀器5分鐘均值作為原始數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析；分析儀的測量量程為0-1000ppm，測量精度為70ppb/5秒或25ppb/5分鐘平均，24小時漂移量為120ppb，月漂移量為500ppb。

為確保分析儀監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確可靠，根據(jù)儀器廠家技術要求及以往監(jiān)測經(jīng)驗，制訂了嚴格地質控措施：①標準物質選擇，使用國家計量研究院生產(chǎn)的一級混合標氣及氮氣對儀器進行校準，并及時更換即將過期的標氣；②校準措施,每周對儀器進行零點、跨度校準，確保斜率、截距在正確的范圍內；③監(jiān)管措施：每天由專人負責監(jiān)視監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)異常，立即進行檢查；④數(shù)據(jù)審核，數(shù)采儀會自動對校準數(shù)據(jù)進行校準標示，在進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計時可直接剔除，另外根據(jù)監(jiān)測經(jīng)驗，背景站的CO2小時平均監(jiān)測數(shù)據(jù)在350ppm-470ppm之間，當監(jiān)測數(shù)據(jù)實時值大于500ppm或小于300ppm時，則應追溯當時的環(huán)境攝影情況，分析具體原因，決定是否剔除過大數(shù)據(jù)。

3.研究內容和研究結果

(1)全年濃度變化

圖1 2014年CO2日均濃度隨溫度變化序列

圖1為2014年背景站CO2濃度與對應溫度的日平均變化時間序列，CO2全年的平均濃度為407．5ppm，站點的全年平均環(huán)境溫度為6．3℃。從圖中可以明顯看出CO2濃度與溫度呈反相關，春夏季濃度總體低于秋冬季。與城市相同，對流旺盛降水增多的夏季，平均氣溫最高，植被光合作用旺盛，固碳作用明顯，CO2濃度出現(xiàn)全年谷值；而與城市濃度峰值出現(xiàn)在冬季不同的是，全年濃度的峰值出現(xiàn)在深秋到初冬時期，到了深冬濃度反而有所下降，這主要是由于背景站地處自然保護區(qū)，深秋季節(jié)植被大量凋零，呼吸作用極度減弱，CO2濃度出現(xiàn)釋放峰值，而冬季溫度下降，掉落植物的CO2釋放減緩，濃度反而有所下降。2月份出現(xiàn)的濃度增高現(xiàn)象可能與當?shù)剞r(nóng)村過年期間放炮及燒柴做飯有關，而7月份出現(xiàn)的濃度增高現(xiàn)象可能與近幾年當?shù)芈糜萎a(chǎn)業(yè)帶來的大量汽車尾氣排放有關。

(2)日24小時年均變化情況

圖2 2014年CO2日24小時年均變化情況

圖2為龐泉溝背景站2014年CO2日24小時年均變化情況變化趨勢圖，從圖中可以看出，背景站CO2每日的24小時濃度變化基本呈現(xiàn)早晚濃度高，日間濃度低的現(xiàn)象，這主要是白天植被光合作用強烈，對CO2的吸收作用大于夜間所致。

(3)日24小時季度平均變化情況

圖3 2014年CO2日24小時季度平均變化情況

圖3為2014年CO2日24小時季度平均變化情況趨勢圖，由于龐泉溝地處自然保護區(qū)，海拔較高，冬季時間長，夏季時間短，因此在季節(jié)劃分上，選取3、4、5月為春季，6、7、8月為夏季，9、10月為秋季，11、12、1、2月為冬季，對每個季度的日24小時濃度取平均后得出圖3。

從圖3可以看出CO2的日24小時濃度變化存在明顯的季節(jié)差異。夏季和秋季存在明顯的晝夜?jié)舛茸兓@主要與植被的日間光合作用、夜間的和呼吸作用交替進行有很大關系，而夏季光合作用強烈，因此，夏季的CO2晝夜?jié)舛茸兓顬槊黠@；而春季與冬季由于氣溫低，植被掉落，光合作用與呼吸作用均很少，所以晝夜?jié)舛茸兓苄。貏e在冬季，CO2濃度基本穩(wěn)定維持在412ppm左右。

從濃度平均水平來看，秋季由于植被樹葉大量掉落，呼吸作用遠大于光合作用，貢獻了更多的CO2，平均濃度在4個季節(jié)中最高；春季與冬季植被對CO2濃度變化的影響基本為零，而冬季的平均濃度明顯高于春季，這主要是由于北方冬季為采暖季，燃煤對CO2濃度的貢獻明顯大于春季，夏季由于光合作用強烈，CO2日平均濃度最低。

此外，背景站CO2冬季日24小時濃度均值的高度穩(wěn)定性也反映出龐泉溝背景站受城市采暖及人類生活的影響極小，而冬季和春季的濃度值在一定程度上也最能真實的反映華北大區(qū)域范圍內在對應季節(jié)內CO2濃度的本底值。

4.結論

CO2是自然大氣中重要的溫室氣體，也是人類生產(chǎn)生活活動向大氣排放的主要氣體之一。它在大氣中含量的增加將顯著影響全球氣候的變化以及人類的生存環(huán)境。大氣中CO2的濃度反映了人類對化石燃料的消費程度，同時也間接評估本地植被光合作用的強度。

龐泉溝國家大氣背景站地處山西龐泉溝自然保護區(qū)，能在一定程度上反映華北地區(qū)大區(qū)域的環(huán)境空氣本底質量情況。研究表明，2014年該地區(qū)的CO2濃度在全年呈現(xiàn)明顯的春夏季低，秋冬季高的變化規(guī)律，與溫度呈明顯的反相關；全年濃度的峰值出現(xiàn)在深秋到初冬時期，這主要是由于深秋季節(jié)植被大量凋零，CO2濃度出現(xiàn)釋放峰值所致。

全年的CO2濃度有較為明顯的日24小時濃度變化，整體呈現(xiàn)日間濃度低，夜間濃度高的現(xiàn)象，主要與植被的光合作用及呼吸作用在晝夜交替進行有關。夏季的日濃度變化最為明顯，相反，冬季的日濃度變化最弱。

背景站CO2冬季日24小時濃度均值的高度穩(wěn)定性也反映出龐泉溝背景站受城市采暖及人類生活的影響極小，而冬季和春季的濃度值在一定程度上也最能真實的反映華北大區(qū)域范圍內在對應季節(jié)內CO2濃度的本底值。

[1]丁海燕,鄭祚芳,劉偉東.北京1951—2008年升溫趨勢和季節(jié)變化.氣候變化研究進展,2010.6(3):187-191.

[2]劉曉曼,程雪玲,胡非.北京城區(qū)CO2濃度和通量的梯度變化特征—I濃度與虛溫.地球物理學報,2015.58(5):1502-1512,doi:10.6038／cjg20150504.

[3]賈慶宇,周廣勝,王宇等.城市復雜下墊面供暖前后CO2通量特征分析.環(huán)境科學,2010.31(4):843-849.

CO2Changes Characteristics Analysis of Pangquangou in National Atmospheric Background Station

Zhou Jianqiang1, Ma Yifang1, Du Li2
(1 Environmental Monitoring Center in Shanxi Province, Shanxi, 030024 2 China National Environmental Monitoring Centre, Beijing, 100012)

According to the monitoring data of Shanxi Panglongquan national atmospheric background station in 2014, this paper takes analysis of the whole year’s CO2concentration changes rules in Pangquangou background station, besides, it preliminarily show the CO2concentration changes range and comparison situation in different seasons and daily period of time in the whole year. The result shows the change rule of CO2concentration in the whole year has the characteristics of low degree in spring and summar, high degree in autum and winter. Because the station is located on the foot of the hill, it is deeply infl uenced by vegetation respiratory action and in the whole year, there are bovious daily concentration changes, besides, due to the strong photosynthesis in summar, the daily concentration change is the most biggest, adversely, the change in winter is the most weakest.

Pangquangou；national atmospheric background station；CO2；changes；characteristics analysis

X

A

周建強（1983～），男，山西省環(huán)境監(jiān)測中心站，研究方向：環(huán)境空氣自動監(jiān)測儀器的運維和管理工作。