北京城區(qū)大氣ch

北京城區(qū)大氣ch

當ch4的溫度比b2低時，它是一種非常重要的溫室氣體。同時,CH4又是化學活性氣體,在大氣中易被氧化而產(chǎn)生一系列HxOy和碳氫氧化物,它們在許多大氣成分的化學轉(zhuǎn)化中扮演重要角色。CH4來自各種微生物厭氧過程及燃燒和能源開采過程,采礦、運輸、化石燃料和生物的燃燒等非生物來源約占全球CH4排放量的30%,生物來源占70%。據(jù)估計,大氣CH4源的總量每年為520Tg,大約每年排放量的90%(470Tg)通過對流層·OH引起的光化學反應被氧化,而另一小部分(大約每年30Tg)通過土壤中微生物的氧化作用被消耗。許多國家和觀測站開展了大氣CH4的觀測工作:早在1983年美國夏威夷MaunaLoa站就開始了大氣CH4測量;1985—1987年,中科院大氣物理所在我國西北甘肅民勤人為干擾極少的荒漠地區(qū)開始了大氣采樣和分析工作,首次獲取了我國清潔內(nèi)陸背景大氣中CH4的體積混合比數(shù)據(jù)及變化趨勢;1991年6月國內(nèi)外科研人員在瓦里關山開始了對大氣CH4濃度變化的規(guī)范化監(jiān)測。但對于城市大氣中CH4濃度的監(jiān)測研究卻較少。為了研究人類活動對大氣CH4的影響,中科院大氣物理所自1985年8月就開始了對北京大氣CH4濃度的長期定位監(jiān)測,筆者在此將1985年以來所得數(shù)據(jù)與瓦里關山站和MaunaLoa站同期數(shù)據(jù)進行對比,以期說明北京城市大氣CH4濃度變化的特點。1ch4濃度的測定方法空氣樣品采自中國科學院大氣物理研究所北京325m氣象塔(39°58′27″N,116°22′20″E)32m高處。在采樣泵的作用下,經(jīng)采集罩過濾后的空氣通過輸氣管路(外徑6.3mm,內(nèi)徑4mm的聚四氟乙烯管,對CH4無吸附作用)直達分析實驗室內(nèi)。從1985年7月開始,每周采樣1次,每次同時采集2個重復樣品,采樣泵將空氣樣品壓入0.8L內(nèi)表面電鍍拋光的不銹鋼瓶,采樣在北京時間14:00進行。自1999年8月起至今,同時利用自行研制的溫室氣體連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)每間隔3min自動取樣分析一次,24h連續(xù)運轉(zhuǎn)。實驗用裝有氫火焰離子檢測器(FID)的HP5890型氣相色譜儀來分析空氣樣品中CH4的濃度。色譜柱為內(nèi)填80/100目PorapakQ的不銹鋼填充柱,長2m,內(nèi)徑2mm。柱箱溫度55℃,閥進樣,檢測器FID溫度200℃,燃燒氣為H2,流量30mL/min,助燃氣為空氣,流量為350mL/min,載氣為N2,流量為30mL/min。樣品中CH4濃度的定量采用外標曲線法。標準氣體分別來自中國國家標準物質(zhì)中心和美國國家標準局(NIST)。以每小時所采20個樣品中CH4濃度的平均值作為該時間段的CH4濃度值,并以此討論日變化。以每周同時采集的2個空氣樣品中CH4濃度平均值代表該周大氣CH4平均濃度,并根據(jù)周濃度計算月平均濃度,年平均濃度是該年12個月濃度的平均值。夏威夷MaunaLoa站(19°32′N,155°35′W)和瓦里關中國大氣本底基準觀象臺(36°17′N,100°54′E,以下簡稱瓦里關山站)的CH4周樣數(shù)據(jù)均來自世界溫室氣體數(shù)據(jù)中心(WDCGG)。2結(jié)果與討論2.1大氣ch4濃度2000年北京大氣CH4濃度(以摩爾分數(shù)計,全文同)日變化總的特點是白天濃度低,夜間濃度高(圖1)。春季和夏季CH4濃度在清晨達到最高,日出后迅速下降,午后(13:00—17:00)達到最低值后接著上升。冬季和秋季最低值也出現(xiàn)在午后,但最高值一般出現(xiàn)在午夜前后,清晨出現(xiàn)次高值。大氣CH4濃度主要受大氣邊界層狀況影響:午后大氣邊界層對流強烈,所以CH4濃度達到全天最低;夜間大氣邊界層穩(wěn)定,局地地表源排放的CH4在低層大氣中積累導致CH4濃度較高。不同季節(jié)大氣CH4濃度日變化幅度也存在差異:春季、夏季、秋季和冬季CH4摩爾分數(shù)的變化幅度分別為284.3,467.1,410.5和283.5nmol/mol。從圖1可以看出,4個季節(jié)中,特別是夏季、秋季和冬季日變化的最低值比較接近,日變化幅度不同的原因主要是最高值相差較大。由于CH4濃度變幅大時CH4源強度也大,同時一晝夜中CH4濃度的上升主要是本地源排放的結(jié)果,所以北京城區(qū)大氣CH4濃度夏季和秋季日變化幅度比冬季和春季大,說明夏、秋季北京城區(qū)CH4排放速率比冬、春季高。2.2北京冬季大氣ch4的季節(jié)變化格局北京城區(qū)大氣CH4年內(nèi)月平均摩爾分數(shù)變化幅度為205.1~387.8nmol/mol,平均值為286.9nmol/mol。瓦里關山大氣CH4年內(nèi)月平均摩爾分數(shù)變化幅度為15.2~27.6nmol/mol,平均值是23.5nmol/mol。說明北京大氣CH4濃度的季節(jié)性周期變化比瓦里關山明顯,季節(jié)變化幅度比本底區(qū)域高一個數(shù)量級。為了消除年際波動的影響,筆者計算出1991—2000年北京城區(qū)和全球大陸大氣本底站瓦里關山站2個監(jiān)測點同一月份的大氣CH4濃度多年平均值,結(jié)果見圖2。從圖2可以看出,在季節(jié)變化形式方面,就平均值而言,北京城區(qū)一年中月平均濃度呈現(xiàn)2個峰值,最高值多出現(xiàn)在8月份或7月份(夏季),次最高值則出現(xiàn)在1—3月份和11,12月份(冬季)。相應的在4—5月份和10月份各出現(xiàn)一個最低值。瓦里關山站高值在9月份或8月份,低值的出現(xiàn)時間規(guī)律性不強,但11,12,1月份的濃度在一年中常常比較低。在除冬季(1月份和11,12月份)以外的其他季節(jié)里,北京城區(qū)大氣CH4的變化趨勢與瓦里關山站相同(相關系數(shù)R=0.93,n=9,P<0.01)。在自然條件下,冬季由于溫度低等原因,生物活動微弱,從而排放到大氣中的CH4比其他季節(jié)少。這可能是受人為活動影響很小的瓦里關山冬季大氣CH4濃度全年最低的原因。冬季北京市與瓦里關山的最大區(qū)別是北京市人為取暖消耗大量化石燃料。觀測結(jié)果顯示,北京冬季大氣CH4濃度比春季和秋季高得多而不是全年最低值(圖2)。因此,可以推斷北京冬季大氣CH4主要來源于化石燃料燃燒等非自然源。Moriizumi等在日本名古屋市(39°10′N,136°55′W)城區(qū)對大氣CH4中碳同位素的分析也得出相似的結(jié)論,發(fā)現(xiàn)1993年11—12月來自化石燃料的CH4占城區(qū)局地性甲烷的(102±8)%,認為秋末和冬季名古屋市城區(qū)釋放的CH4絕大部分來自化石燃料。2.3北京市大氣ch4年際變化特征1985—2000年,北京城區(qū)大氣CH4摩爾分數(shù)平均值為(1883.4±73.0)nmol/mol,比同期夏威夷MaunaLoa站觀測值高(164.8±36.6)nmol/mol;1991—2000年,北京城區(qū)大氣CH4摩爾分數(shù)平均值比瓦里關山站高(146.5±15.4)nmol/mol。瓦里關山站大氣CH4濃度是中國大氣CH4本底濃度。以上數(shù)據(jù)說明,北京城區(qū)大氣CH4濃度比基本上未受人類活動影響的本底區(qū)域高,北京城區(qū)是中國大陸大氣CH4排放源。1985—2000年北京城區(qū)大氣CH4濃度年際波動較大,但總體呈上升趨勢(圖3)。根據(jù)線性回歸方程C=14.49(t-1985)+1860.30(R=0.89,n=16,P<0.01。式中,C為大氣CH4摩爾分數(shù);t為年代。下同),可以得出年平均增長量為14.49nmol/mol,年平均增長率為0.82%,分別是MaunaLoa站的1.95和1.84倍。夏威夷MaunaLoa站同期監(jiān)測到的相應值分別是7.43nmol/mol和0.45%(線性回歸方程為C=7.43(t-1985)+1662.90,R=0.98,n=16,P<0.01)。1991—2000年,北京城區(qū)大氣CH4摩爾分數(shù)平均年增長量為9.27nmol/mol,平均年增長率為0.49%(線性回歸方程為C=9.27(t-1991)+1886.72,R=0.92,n=10,P<0.01),分別是瓦里關山站的1.96和1.69倍。瓦里關山站同期監(jiān)測到的相應值分別是4.99nmol/mol和0.29%(線性回歸方程為C=4.99(t-1991)+1729.56,R=0.97,n=10,P<0.01)?？偟膩碚f,近十幾年來北京城區(qū)大氣CH4濃度上升速率大大超過MaunaLoa站和瓦里關山站等全球本底區(qū)域,但1990年以后增長速率有所降低。3大氣ch4的季節(jié)變化a.北京城區(qū)大氣CH4濃度日變化總的特征是白天濃度低,夜間濃度高,并有明顯的季節(jié)差異。b.北京城區(qū)大氣CH4