徐宏輝 劉 潔 浦靜姣 馬千里

(1．浙江省氣象科學(xué)研究所，浙江 杭州310017;2．浙江省氣象局，浙江 杭州310002;3．臨安區(qū)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(yè)化進(jìn)程的不斷加快，人類活動(dòng)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(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等各方面。政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)于2007年發(fā)布的第4次評(píng)估報(bào)告指出，過去50 a監(jiān)測到大部分全球平均溫度升高，非?？赡?＞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(qū)域大氣本底站坐落在浙江省臨安市橫畈鎮(zhèn)大羅村，東經(jīng) 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(fēng)向以東北風(fēng)和西南風(fēng)為主，特殊天氣現(xiàn)象和逆溫層的出現(xiàn)頻率很低，具有典型的亞熱帶季風(fēng)區(qū)的氣候和大氣環(huán)流特征，能夠很好的反映長江三角洲區(qū)域大氣本底的特征。臨安區(qū)域大氣本底站是聯(lián)合國世界氣象組織全球大氣觀測網(wǎng)(GAW)區(qū)域大氣本底站，也是我國科學(xué)技術(shù)部國家大氣成分本底野外觀測研究站。

20世紀(jì)80年代，臨安區(qū)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(jīng)驗(yàn)。自2006年以來，臨安區(qū)域本底站開展了溫室氣體瓶采樣測量CO2和CH4的觀測實(shí)驗(yàn)。2008年開始，陸續(xù)開展溫室氣體在線觀測項(xiàng)目以及鹵代溫室氣體的瓶采樣觀測實(shí)驗(yàn)。

1 溫室氣體觀測

1．1 氣瓶采樣觀測

大氣樣品采樣及實(shí)驗(yàn)室集中分析均參照WMO/GAW 推薦的方法進(jìn)行［3，4］，采樣設(shè)備包括便攜式采樣器和Flask硬質(zhì)玻璃瓶，為保證采樣質(zhì)量，采樣時(shí)2個(gè)Flask瓶串聯(lián)，用當(dāng)?shù)乜諝獬浞譀_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(shí)段采樣(此時(shí)大氣混合層較高，采集的樣品和自由對(duì)流層接近);采樣期間主要避開雨、霧、霾、沙塵等天氣，風(fēng)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(tǒng)也投入運(yùn)行。

根據(jù)2006年9月—2007年8月期間觀測資料，觀測期間臨安區(qū)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(guān)全球本底站的平均濃度高了 4．3 × 10-6［6］。如圖1［7］，臨安區(qū)域本底站 CO2濃度2008年平均值達(dá)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(qū)域本底站CH4濃度2008年平均值達(dá)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(qū)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(qū)域本底站受到長江三角洲經(jīng)濟(jì)圈人類活動(dòng)的影響，CO2和CH4濃度波動(dòng)較大。

圖1 2006年8月—2009年7月臨安區(qū)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(tǒng)

2008年以來，在臨安區(qū)域本底站開展了多種溫室氣體及相關(guān)微量成分本底值協(xié)同觀測。目前，CO2/CH4(Picarro)多層在線觀測方案優(yōu)化后已投入運(yùn)行;N2O/SF6/CO雙通道氣相色譜(GC-FID/ECD)在線觀測系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、調(diào)試后投入運(yùn)行。

1．2．1 CO2/CH4在線觀測系統(tǒng)

高精度、高分辨率CO2/CH4在線觀測系統(tǒng)已經(jīng)設(shè)計(jì)、調(diào)試完成，并在2008年底投入運(yùn)行，CO2和CH4分析精度分別達(dá)到了0．1×10-6和2 ×10-9。

該觀測系統(tǒng)采用的分析系統(tǒng)型號(hào)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(tǒng)主要基于光腔衰變光譜(Cavity Ring Down Spectroscopy)專利技術(shù)，其核心是透過光極快速地反復(fù)穿過氣體樣品多次，產(chǎn)生一種極大增益的有效光程，使光與樣品進(jìn)行充分相互作用，從而實(shí)現(xiàn)采用小巧簡易分析儀器系統(tǒng)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(tǒng)(G1302)開始運(yùn)行，兩套系統(tǒng)的進(jìn)氣口分別在55 m鐵塔的53 m和21 m，實(shí)現(xiàn)了CO2的多層在線觀測。

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

圖2 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與質(zhì)量保證(QA/QC)體系

1．2．2 N2O/SF6/CO 在線觀測系統(tǒng)

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(zhì)控、數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理系統(tǒng)投入運(yùn)行，分析精度分別達(dá)到0．2 ×10-9，0．1 ×10-12，2 ×10-9，時(shí)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(tǒng)已經(jīng)獲得CH4濃度，GCFID測得的CH4濃度僅作儀器比對(duì)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(shù)據(jù)集成分析研究

如圖3，在臨安區(qū)域大氣本底站設(shè)計(jì)、研發(fā)、集成的溫室氣體及相關(guān)微量成分本底值協(xié)同觀測-分析系統(tǒng)投入應(yīng)用，初步形成了與國際接軌的觀測-采樣-分析-標(biāo)校-質(zhì)量控制-數(shù)據(jù)處理的方法與流程，初步形成了較為完善的標(biāo)準(zhǔn)制備和傳遞流程。進(jìn)一步研究將獲得長江三角洲地區(qū)溫室氣體本底濃度變化的時(shí)空分布特征和變化趨勢，然后提交區(qū)域級(jí)分析評(píng)估報(bào)告和系列決策服務(wù)材料，為決策部門、科研機(jī)構(gòu)和公眾提供科技支撐。

圖3 臨安區(qū)域本底站溫室氣體在線觀測系統(tǒng)的研究內(nèi)容

2．2 碳源匯研究展望

現(xiàn)在有關(guān)CO2源與匯的研究主要包括4個(gè)方面：(1)利用渦度相關(guān)法長期而連續(xù)地測量大氣和生物圈之間的碳通量;(2)反復(fù)測量陸地生態(tài)系統(tǒng)和海洋系統(tǒng)中隨時(shí)間變化的碳總量;(3)在全球大氣取樣網(wǎng)站進(jìn)行長期的大氣CO2監(jiān)測;(4)發(fā)展動(dòng)態(tài)的生態(tài)系統(tǒng)模型去推測過去、現(xiàn)在和將來陸地和海洋中的碳循環(huán)。目前全球碳循環(huán)研究的重點(diǎn)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(duì)碳匯的貢獻(xiàn)［9］。

目前全球碳循環(huán)研究已經(jīng)確定的與人類活動(dòng)有關(guān)的3個(gè)主要源是化石燃料燃燒、水泥生產(chǎn)和土地利用變化［10］。我國的研究人員對(duì)大陸巖溶發(fā)育過程、中國黃土、森林、地球內(nèi)部等對(duì)CO2的貢獻(xiàn)做了研究［11］。對(duì)中國海CO2源匯的研究初步表明，南海是CO2的主要源區(qū)，東海是CO2的主要匯區(qū)，珠江河口附近的陸架海域至少在春季發(fā)生水華期間表層是大氣CO2的匯［12］。

對(duì)區(qū)域性碳排放的衡量主要基于間接數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)等。2007年，美國國家海洋與大氣管理局碳循環(huán)溫室氣體工作組開發(fā)了碳追蹤模式(CarbonTracker)［13-15］，該系統(tǒng)能夠處理來自全世界135個(gè)生態(tài)系統(tǒng)和11個(gè)海底盆地的數(shù)據(jù)，然后估算海洋、野火，以及諸如燃燒化石燃料等人類活動(dòng)釋放和吸收的碳。這些數(shù)據(jù)會(huì)轉(zhuǎn)化成用不同顏色標(biāo)識(shí)的碳源和碳匯的地圖。它也能夠區(qū)別自然的碳循環(huán)和那些由于人類活動(dòng)導(dǎo)致的碳排放變化。但是該研究結(jié)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(shù)據(jù)，該方法才能產(chǎn)生更高的分辨率。

利用臨安區(qū)域大氣本底站CO2濃度變化特征，結(jié)合碳追蹤模式的模擬結(jié)果，研究表明：長江三角洲地區(qū)化石燃料燃燒對(duì)該地區(qū)碳源的貢獻(xiàn)較大，生物質(zhì)燃燒的影響作用較小，生物圈和海洋是該地區(qū)重要的碳匯［7］。

3 結(jié)語

綜上所述，目前對(duì)溫室氣體的現(xiàn)狀及其源匯的研究，主要是在比較大空間尺度上的研究，對(duì)局部區(qū)域的研究比較少。浙江省經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，同時(shí)臨安區(qū)域本底站監(jiān)測數(shù)據(jù)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(duì)浙江省溫室氣體的現(xiàn)狀及其源匯進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。

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