劉曉曼，程雪玲，胡非

1 LACS，中國科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100029

2 LAPC，中國科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100029

1 引言

大氣邊界層（下稱邊界層）包含了對流層75%的大氣質(zhì)量和90%的水汽含量，集中了自然界大部分天氣現(xiàn)象和過程，是地表與自由大氣間物質(zhì)能量交換的通道.隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)和加劇，人類日常的生產(chǎn)和生活活動對邊界層氣象要素的影響越來越顯著.城市下墊面的形成是人類對自然面貌改造的重要體現(xiàn)，不同性質(zhì)多種功能區(qū)組成的復(fù)雜城市下墊面必然會對局地大氣結(jié)構(gòu)造成一定程度的影響.另外，人類活動會增加城市額外熱量，增大機(jī)動車保有量，增排污染氣體、煙塵和氣溶膠，這些對城市的溫度、濕度、降水、風(fēng)場、能見度等氣象要素會都產(chǎn)生顯著影響.

二氧化碳?xì)怏w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(jìn)而自發(fā)調(diào)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，原有的自然界碳循環(huán)體系平衡被打破.自1958年開始的二氧化碳系統(tǒng)紅外觀測研究表明，二氧化碳濃度總體呈上升趨勢.1997—2007年間，北京市化石能源燃燒導(dǎo)致的二氧化碳排放量以每年4.6%左右的幅度持續(xù)上升（劉春蘭等，2010）.1951—2008年間，北京市的線性增溫速率為0.036度／年（丁海燕等，2010）.占整體陸地面積不足2.4%的城市區(qū)域排放了全球80%以上的二氧化碳（Potere and Schneider，2007），其中化石燃料的燃燒和機(jī)動車尾氣排放是人為二氧化碳?xì)怏w產(chǎn)生主要途徑.此外，二氧化碳?xì)怏w的排放通常伴隨著微顆粒物的生成，即空氣污染的主要來源.隨著城市區(qū)域的擴(kuò)大和城市化進(jìn)程的加快，密集人類活動對區(qū)域環(huán)境的影響將愈發(fā)顯著.評估人為碳排放對碳收支的影響，尋找最為有效的能源消耗控制以及能源結(jié)構(gòu)調(diào)整措施，平衡城市化發(fā)展與大氣環(huán)境變化的關(guān)系，成為基礎(chǔ)性碳相關(guān)研究的主要關(guān)注焦點(diǎn).

在這樣的前提和背景下，中國科學(xué)院實(shí)施了《應(yīng)對氣候變化的碳收支認(rèn)證及相關(guān)問題》的戰(zhàn)略先導(dǎo)科技專項(xiàng)，其中《碳衛(wèi)星驗(yàn)證系統(tǒng)與綜合觀測》的第一子課題《高塔驗(yàn)證系統(tǒng)和綜合觀測》（下稱碳專項(xiàng)課題）的研究目的即為：在北京325m氣象觀測塔上開展多層二氧化碳和相關(guān)的氣象要素的梯度觀測，結(jié)合衛(wèi)星、無人機(jī)、系留汽艇、車載和傅里葉變換光譜地基移動觀測，獲取不同地表二氧化碳資料，結(jié)合非均勻邊界層理論和數(shù)值模擬，揭示像元尺度內(nèi)二氧化碳的水平分布和垂直分布規(guī)律，以及非均勻地表過程對二氧化碳通量交換的影響機(jī)理和關(guān)鍵影響因子，為驗(yàn)證衛(wèi)星觀測資料和構(gòu)建區(qū)域尺度碳收支模型提供科學(xué)的參數(shù)化支持.

本文是《北京城區(qū)二氧化碳濃度和通量的梯度變化特征》相關(guān)研究的第一部分，將簡要介紹數(shù)據(jù)處理及質(zhì)量控制和評價(jià)方法，并根據(jù)北京塔7層渦動觀測系統(tǒng)自搭設(shè)完成至今18個(gè)月的返回資料，在對數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的基礎(chǔ)上，就二氧化碳濃度和虛溫的季節(jié)變化和日變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析研究，初步給出二氧化碳濃度隨高度廓線的擬合結(jié)果.并針對二氧化碳通量、風(fēng)場以及城區(qū)二氧化碳通量源區(qū)范圍進(jìn)行分析研究.

2 研究區(qū)域和研究方法

2.1 研究區(qū)域概述

北京市位于華北平原北部，三面環(huán)山，東南為平原，屬暖溫帶半干旱半濕潤季風(fēng)氣候，降水分布不均，集中于東北和西南部山前迎風(fēng)坡地區(qū).截至2013年底，北京市總面積16800km2，總?cè)丝诩s2600萬，機(jī)動車保有量約520萬輛.自20世紀(jì)80年代以來，北京市城市化發(fā)展迅速，據(jù)熱力環(huán)流特征分析研究表明，北京市區(qū)一年四季都存在城市熱島現(xiàn)象，且近10年來范圍在擴(kuò)大，呈多中心特征（王郁等，2006）.

中國科學(xué)院大氣物理研究所北京325m氣象塔建成于1979年8月，海拔高度49m，共設(shè)有15層觀測平臺，各層均架設(shè)有風(fēng)速風(fēng)向儀和溫度儀，奇數(shù)層架設(shè)濕度儀.氣象塔位于北京市區(qū)北三環(huán)與北四環(huán)之間（39°58′N／116°22′E，圖1中紅色圓點(diǎn)標(biāo)注處），下墊面類型包括建筑物、居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、草地、林地、河流、公路主次干道等，屬城市復(fù)雜下墊面類型.

北京325m氣象塔的主要用途是檢測北京市環(huán)境空氣質(zhì)量，為邊界層氣象要素的湍流擴(kuò)散研究提供基礎(chǔ)觀測數(shù)據(jù).為滿足碳專項(xiàng)課題的需要，中國科學(xué)院于2012年在氣象塔上增設(shè)了7層渦動觀測系統(tǒng)（Gill超聲風(fēng)速儀和Li－7500二氧化碳／水汽分析儀構(gòu)成），分別位于8、16、47、80、140、220m和280m高度平臺處.渦動系統(tǒng)于2012年3月正式輸出包括二氧化碳濃度、水汽濃度、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、大氣壓力梯度觀測數(shù)據(jù)（時(shí)間分辨率10Hz）.除47m、140m和200m高度曾出現(xiàn)儀器返場檢修的數(shù)據(jù)缺失情況外，其余各層觀測數(shù)據(jù)均較為完整.

2.2 渦動相關(guān)技術(shù)和IAP通量處理軟件

渦動相關(guān)（Eddy Covariance）的概念提出已有百年歷史，但真正的EC系統(tǒng)發(fā)展和應(yīng)用是從20世紀(jì)50年代熱線風(fēng)溫計(jì)和60年代超聲風(fēng)速儀的研發(fā)開始的.現(xiàn)今，渦動相關(guān)技術(shù)被認(rèn)為是獲得地氣間二氧化碳、水汽、動量和熱量等通量觀測的最佳途徑，它通過計(jì)算物理量脈動和風(fēng)速脈動的協(xié)方差計(jì)算湍流輸送量，是全球通量網(wǎng)（FLUXNET）測定植被大氣間二氧化碳通量的主要技術(shù)手段.由于渦動相關(guān)技術(shù)的理論假設(shè)對環(huán)境條件要求比較嚴(yán)格（平坦地形、均勻來流路徑、均勻湍流等），而城市地區(qū)下墊面普遍多樣復(fù)雜（地形起伏、斑塊植被、非定長氣象條件），因此除去考慮傳感器誤差之外，發(fā)展適當(dāng)?shù)挠喺椒ǎ瑢?shù)據(jù)進(jìn)行有效的質(zhì)量控制，最后根據(jù)質(zhì)量評價(jià)結(jié)果選用合適進(jìn)行基礎(chǔ)研究的數(shù)據(jù)就顯得尤為重要，這是確保觀測數(shù)據(jù)真實(shí)有效以及各地通量觀測系統(tǒng)站點(diǎn)間數(shù)據(jù)可比的基礎(chǔ).實(shí)踐應(yīng)用證明，復(fù)雜條件下渦動相關(guān)方法也能得到很有意義的結(jié)果.

北京氣象塔渦動系統(tǒng)以10Hz采樣頻率記錄了2012年5月至2013年12月時(shí)間段內(nèi)7個(gè)不同高度層次上的二氧化碳濃度C（g·m－3）、水汽濃度q（g·m－3）、風(fēng)場u，v，w（m·s－1）、超聲虛溫Ts（K）、氣壓p（hPa）等數(shù)據(jù).首先根據(jù)觀測時(shí)的天氣、環(huán)境條件及儀器本身屬性限制，對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，去掉不合理數(shù)據(jù)或因儀器出現(xiàn)故障、天氣等原因產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)訂正插補(bǔ).本文采用課題組自行研發(fā)的IAP通量處理軟件進(jìn)行觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制和評價(jià)，主要包括質(zhì)量控制、質(zhì)量評價(jià)和計(jì)算結(jié)果輸出等三部分（如圖2）.

質(zhì)量控制主要步驟包括：①物理合理性判斷：u，v，w閾值±1000m·s－1，Ts閾值±1000°，C閾值10000mg· m－3，q閾值1000g·m－3；②氣候極值判斷：u，v閾值±100m·s－1，w閾值±10m·s－1，Ts閾值±100°，C閾值1000mg·m－3，q閾值100g·m－3；③野點(diǎn)剔除：采用滑動平均（Vickers and Mahrl，1997），相鄰點(diǎn)之差大于5倍序列總體標(biāo)準(zhǔn)差則視為野點(diǎn)；④隨機(jī)脈動剔除：水汽凝結(jié)等導(dǎo)致的傳感器隨機(jī)脈沖，綜合 Vickers（Vickers and Mahrl，1997）和H?jstrup（H?jstrup，1993）的方法，先求出 ΔXi＝Xi＋2－Xi的PDF分布及其方差，然后將｜ΔX｜＞nσ的值視為隨機(jī)脈沖；⑤坐標(biāo)軸傾斜修正：采用平面擬合，消除湍流通量各分量之間的交叉干擾（Wilczak et al.，2001）；⑥ 頻率響應(yīng)修正（Massman and Lee，2002）：修正由平均時(shí)間不夠長及處理中有線性趨勢等引起的低頻損失，以及由傳感器聲程引起的間距過大造成的高頻損失，針對所有通量；⑦超聲虛溫修正（Schotanus et al.，2002），消除觀測中由于空氣濕度導(dǎo)致的系統(tǒng)虛溫與實(shí)際大氣溫度不統(tǒng)一帶來的感熱通量計(jì)算誤差；⑧密度脈動修正（WPL）（Webb et al.，1980），考慮空氣的垂直平均流運(yùn)動導(dǎo)致的物質(zhì)濃度輸送，針對氣體成分，例如二氧化碳和水汽；⑨缺測值插補(bǔ)：采用牛頓插值法進(jìn)行單點(diǎn)插值，采用模擬插值法進(jìn)行多點(diǎn)連續(xù)差值.

根據(jù)質(zhì)量控制結(jié)果，通過計(jì)算垂直風(fēng)速脈動項(xiàng)與各物理量脈動項(xiàng)的協(xié)方差，得到平均周期為30min的長期通量觀測結(jié)果.軟件可進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)量計(jì)算包括：風(fēng)向、摩擦速度、M－O長度、湍流動能及湍流強(qiáng)度、各物理量通量、陣風(fēng)因子、自相關(guān)、概率密度函數(shù)、湍流功率譜.軟件可進(jìn)行的平均場計(jì)算包括：粗糙下墊面拖拽系數(shù).具體計(jì)算公式不再贅述.

圖1 北京325m氣象塔位置及周邊下墊面信息Fig.1 The location of Beijing 325mmeteorological tower and its surface environment around

圖2 IAP通量處理軟件系統(tǒng)框圖（a）及軟件界面圖（b）Fig.2 （a）IAP－Flux system focus on eddy covariance and microclimatological measurement analysis and（b）its interface screenshot

質(zhì)量評價(jià)的主要步驟包括（Clement，2006；王介民，2011；徐自為等，2008）：①振幅分辨率檢驗(yàn)：弱風(fēng)和穩(wěn)定條件下序列的振幅分辨率較小不足以抓取到湍流脈動導(dǎo)致階梯狀時(shí)間序列出現(xiàn)，判斷標(biāo)準(zhǔn)為某時(shí)間序列（10min）的概率密度函數(shù)中出現(xiàn)70%以上的0（Vickers and Mahrl，1997）；②僵值檢驗(yàn)：超聲探頭和數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)問題導(dǎo)致的數(shù)據(jù)異常，判斷標(biāo)準(zhǔn)為相鄰點(diǎn)差值小于時(shí)間序列（10min）的概率密度函數(shù)bin的寬度 ［max（x）－min（x）］／100（bin的數(shù)目取為100）（Vickers and Mahrl，1997）；③高階統(tǒng)計(jì)矩檢驗(yàn)：儀器和數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)問題導(dǎo)致的數(shù)據(jù)高階統(tǒng)計(jì)矩異常，判定標(biāo)準(zhǔn)為某時(shí)間序列（10min）的斜度S＞2或和峰度K＞或K＜1（Vickers and Mahrl，1997）；④湍流平穩(wěn)性檢驗(yàn)：湍流場的各統(tǒng)計(jì)特征不隨時(shí)間變化的假設(shè)，雖然實(shí)際大氣湍流場受到各種因素影響，嚴(yán)格來說并不具有平穩(wěn)性特征，但如果取較短的觀測時(shí)間，并在較平穩(wěn)的天氣條件和較平坦的下墊面條件下，大氣湍流可近似認(rèn)為是平穩(wěn)的，判斷條件為計(jì)算某時(shí)間序列（10min）的協(xié)方差和該序列的分段協(xié)方差的算術(shù)平均，x和w取相同序列用于檢測序列本身平穩(wěn)性，x和w取不同序列用于檢驗(yàn)通量之間平穩(wěn)性.如果則認(rèn)為數(shù)據(jù)不平穩(wěn)（Foken and Wichura，1996）.⑤湍流方差相似性檢驗(yàn)：湍流發(fā)展充分的情況下，M－O相似理論成立，近地層大氣的若干參數(shù)例如梯度、方差、能譜等都是穩(wěn)定度z／L的函數(shù)，具體可參見Foken and Wichura（Foken and Wichura，1996）等對各變量進(jìn)行歸一化方差檢驗(yàn)；⑥根據(jù)④和⑤評級標(biāo)準(zhǔn)，對質(zhì)量控制輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行總體質(zhì)量評價(jià).評價(jià)結(jié)果顯示，北京塔2012年5月2013年12月期間可用于基礎(chǔ)研究的數(shù)據(jù)約為75%.

3 研究內(nèi)容和研究結(jié)果

3.1 季節(jié)變化

圖3為2012年5月至2013年12月觀測時(shí)間段內(nèi)（下稱時(shí)間段內(nèi)）二氧化碳濃度與對應(yīng)虛溫的日平均變化時(shí)間序列.自低到高各層時(shí)間段內(nèi)二氧化碳濃度平均值（單位：mg·m－3）分別為：753.6、758.3、753.3、736.0、723.8、698.9、682.8；虛溫平均值（單位：℃）：15.0、16.8、13.4、15.3、13.0、9.9、10.6.在各觀測層上，二氧化碳濃度與虛溫均呈反相關(guān)，秋冬季濃度總體大于春夏季.冬季濃度隨層高下降最為明顯，夏秋季節(jié)會出現(xiàn)200m以上高層濃度短時(shí)高于底層的現(xiàn)象，春季濃度層間濃度跨度最小.對流旺盛降水增多的夏季，平均氣溫最高，植被呼吸作用旺盛，固碳作用明顯，二氧化碳濃度出現(xiàn)全年谷值，自低層到高層濃度均值分別為（單位：mg·m－3）：700.2、703.7、673.7、692.2、673.7、670.0；對流減弱逆溫增強(qiáng)的冬季，平均氣溫最低，植被凋零呼吸作用減弱，再加上城市燃煤供暖的作用，二氧化碳濃度出現(xiàn)全年峰值，自低層到高層濃度均值分別為（單位：mg·m－3）：833.0、843.8、840.4、815.9、802.8、757.1、694.1.冬夏兩季的二氧化碳濃度差在47m以下隨高度上升而略有上升，47m以上隨高度上升而明顯下降.垂直方向上，除去8～16m高度有濃度隨高度增加的現(xiàn)象外，二氧化碳濃度基本上隨高度增大而減小，近地面濃度（8m處）與高空（280m處）濃度平均差約10%，可見二氧化碳濃度的垂直分布基本上是均勻的.夏季垂直方向上濃度差最低為6.8%，冬季濃度差最高為11.5%，反映了夏季對流旺盛，一定程度上有利于二氧化碳在垂直方向上的傳輸.200m以上二氧化碳濃度離散程度要遠(yuǎn)小于200m以下的層次.

圖3 2012年5月—2013年12月二氧化碳和虛溫時(shí)間序列Fig.3 Variation of CO2concentration and Virtual temperature with time series

王躍思等（2002）對北京塔32m高度處1993—2000年間各氣象要素觀測研究表明，1995年二氧化碳濃度達(dá)到8年間最大值約為409.7±25.9μmol·mol－1（766.3±48.5mg·m－3），Song等（2012）觀測得到北京塔47m高度處2008年二氧化碳濃度年平均值為764.5±43.1mg·m－3.本次觀測中2012—2013年北京塔47m高度處二氧化碳濃度年平均值約為759.7mg·m－3.可見近20年間，北京城區(qū)二氧化碳濃度雖有起伏，但整體尚處于正常范圍內(nèi)，城市運(yùn)輸量的大幅驟增這一人為源并沒有對城區(qū)二氧化碳濃度造成非常嚴(yán)重的影響.

由二氧化碳濃度隨時(shí)間和高度分布的剖面圖（圖4）可以明顯看出 ，二氧化碳濃度隨季節(jié)變化非常明顯.從對流旺盛的秋季開始，底層濃度較高的二氧化碳?xì)怏w不斷積累并向高層輸送，導(dǎo)致了整個(gè)可觀測區(qū)域內(nèi)二氧化碳濃度的整體升高；從2012年11月15日城市供暖開始，大量化石燃料燃燒導(dǎo)致底層二氧化碳濃度出現(xiàn)攀升，垂直方向上影響范圍近200m；整個(gè)冬季期間，全部7個(gè)觀測高度的二氧化碳濃度值均達(dá)到全年的峰值，一月中下旬累積出現(xiàn)極值；2013年3月15日供暖停止前后，二氧化碳濃度出現(xiàn)大幅下降，并有短時(shí)高空濃度大于近地面濃度的現(xiàn)象；從2013年3月開始整層二氧化碳濃度呈周期性漲落，明顯與周期性的天氣過程有關(guān)；自春季開始至夏季結(jié)束，二氧化碳濃度持續(xù)下降；整個(gè)觀測時(shí)段濃度大幅降低的區(qū)域一般對應(yīng)著大風(fēng)或降水降雪事件的發(fā)生.由于觀測時(shí)間段內(nèi)兩個(gè)夏季的觀測數(shù)據(jù)均有部分缺失，所以圖4中并沒有夏季的對應(yīng)剖面圖.

3.2 日變化

二氧化碳濃度的日變化一般體現(xiàn)為雙峰型，即：晨間邊界層為穩(wěn)定邊界層，二氧化碳濃度分布隨高度有明顯分層；隨著地面自然和人為碳源的排放和積累，二氧化碳濃度會呈現(xiàn)上升趨勢，在城市交通早高峰時(shí)段06∶00—08∶00前后達(dá)到峰值；隨后二氧化碳濃度出現(xiàn)明顯下降，對應(yīng)著在日照作用下邊界層的抬升，及由穩(wěn)定邊界層向?qū)α鬟吔鐚拥倪^渡；白天在對流混合作用下各層濃度差異減小，日最低濃度往往會出現(xiàn)在15∶00—16∶00點(diǎn)之間；濃度的第二次上升開始于18∶00前后，對應(yīng)晚高峰機(jī)動車尾氣排放；日落后隨著短波輻射減少，地面溫度下降，邊界層內(nèi)對流減弱，從而回歸為穩(wěn)定邊界層，頂部開始出現(xiàn)逆溫層，邊界層底部開始出現(xiàn)濃度積累，濃度再次隨高度出現(xiàn)分層.雙峰型的日變化在春夏秋季都比較明顯，冬季由于供暖使得變化趨勢相對緩和.王躍思等（2002）分析北京1993—2000年8年的北京塔觀測數(shù)據(jù)所得出的結(jié)論與本文一致，北京地區(qū)二氧化碳日變化平均呈現(xiàn)雙峰模態(tài)，但谷值和峰值出現(xiàn)時(shí)間較本文均有所提前，這應(yīng)該與近10年來北京城市交通狀況的改變有一定關(guān)系.

根據(jù)北京塔2008年47m處觀測數(shù)據(jù)顯示（Song et al.，2012），夏季二氧化碳濃度的日變化（單位：mg·m－3）在683.0～754.4之間變動，日平均濃度為716.7±21.6；冬季日變化在805.6～869.2之間變動，日平均濃度為853.3±17.9.本次觀測時(shí)段內(nèi)的對應(yīng)值（單位：mg·m－3）為：夏季673.3、732.5和701.4±18.9；冬季811.2、875.9和841.5±16.3，與在其他城市進(jìn)行的類似研究觀測得到的濃度處于同一數(shù)量級（王躍思等，2002；Grimmond et al.，2002；Nemitz et al.，2002）.與2008年的觀測數(shù)據(jù)相比較，2012—2013年二氧化碳濃度在夏季變化不大，冬季有較大幅度上升，但冬季的濃度峰值和平均值遠(yuǎn)低于沈陽市的對應(yīng)值（賈慶宇，2010）.

圖6中所示為觀測時(shí)段內(nèi)各觀測層二氧化碳濃度的日變化情況.由于二氧化碳的各種自然和人為排放源都集中在地表，所以其濃度一般隨高度升高而降低.在8m和16m觀測高度上，濃度觀測值最高，且濃度日變化受下墊面影響最為直接，例如熱力對流、植被變化、交通運(yùn)輸、城市供暖等因素導(dǎo)致的濃度改變在近地層表現(xiàn)的最為明顯.在47m和80m觀測高度，大部分自然和人為碳源的影響都可以忽略，二氧化碳濃度的來源主要是地表濃度在大氣湍流擴(kuò)散、層間對流、平流輸送等方式的共同作用下到達(dá)觀測高度；此外例如降水降雪等過程對濃度的降低作用開始顯現(xiàn)；所以離開了地面源的直接作用后，這個(gè)高度區(qū)域的濃度更多受到大氣環(huán)境和天氣過程的影響，日變化較近地層顯得相對平緩，但季節(jié)變化仍然十分顯著；在140～280m觀測層，二氧化碳平均濃度較近地層下降了7%～10%，降水對濃度的沖刷作用非常明顯，冬季前后濃度增高的時(shí)間范圍要遠(yuǎn)小于其他觀測層，僅在濃度累積最嚴(yán)重的1月和2月期間才能看到.此外，在所有觀測層都會出現(xiàn)不同程度的夏冬季日變化模態(tài)差異，這種差異在夜間清晨最為明顯，并隨觀測高度上升而減弱.這主要是由于冬季供暖以及逆溫的提前和增強(qiáng)而導(dǎo)致的.研究表明，冬季夜間出現(xiàn)逆溫的情況是夏季的5倍.

3.3 二氧化碳濃度闊線

地面探測數(shù)據(jù)是提高碳衛(wèi)星的二氧化碳定量產(chǎn)品精度的有效手段.邊界層區(qū)域是最主要的人為碳源區(qū)，對這一區(qū)域二氧化碳濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，以及在不同下墊面環(huán)境、天氣過程以及大氣環(huán)境條件下二氧化碳濃度垂直分布規(guī)律的研究，將為評估碳分布和碳循環(huán)過程中重要的自然和人為影響因子及其影響程度，預(yù)測二氧化碳與溫度的變化趨勢，以及構(gòu)建區(qū)域尺度的碳收支模型等提供有力的參數(shù)化支持.

圖4 2012年9月—2013年6月二氧化碳濃度剖面圖Fig 4 Vertical profile of CO2concentration distribution

圖5 不同季節(jié)各觀測層二氧化碳濃度日變化Fig.5 Diurnal variations of CO2concentration measured at different levels in different season

圖6 各觀測層二氧化碳濃度年際日變化Fig.6 The inter－annual variation of diurnal variations of CO2concentration at different levels

將觀測時(shí)間段內(nèi)數(shù)據(jù)按季節(jié)分類，再將日變化分為四個(gè)時(shí)段（00∶00—06∶00、06∶00—12∶00、12∶00—18∶00、18∶00—00∶00）分 別 進(jìn) 行 廓 線 擬合，初步擬合結(jié)果如圖7和圖8所示，可以看到：①濃度整體隨高度升高而降低，夏季濃度垂直變化的區(qū)間最小，冬季最大；②夏季層間濃度變化幅度最明顯；近地層二氧化碳濃度強(qiáng)烈受到夏季茂盛植被的光合作用影響，呈現(xiàn)日出濃度降低日落濃度升高的現(xiàn)象；高層濃度則在大氣穩(wěn)定度和垂直對流的共同作用下，表現(xiàn)為白天垂直分布相對均勻而夜間隨高度迅速降低的趨勢；③隨著溫度的降低和植被固碳作用的減弱，秋季二氧化碳濃度在近地層有顯著升高；但在旺盛對流的作用下，全天層間濃度分布較春冬季更為均勻；在日照積累使溫度達(dá)到最高的12∶00—18∶00期間，濃度達(dá)到全天的相對低值；④冬季是全年二氧化碳濃度最高的時(shí)段，這是自然和人為排放源以及環(huán)境作用的共同結(jié)果；穩(wěn)定的大氣環(huán)境以及逆溫作用加強(qiáng)，使得供暖和機(jī)動車等季節(jié)性的額外濃度增加集中在近地層，而無法向高層擴(kuò)散傳輸，所以冬季濃度隨高度的降低幅度最大；⑤春季與秋季的大氣環(huán)境類似，二氧化碳的廓線表現(xiàn)出類似特征；⑥此外，在一天中的任何時(shí)刻，50m以下的近地面層，二氧化碳濃度的日變化最低值總是出現(xiàn)在夏季，50m以上則出現(xiàn)在春季，濃度最高值總是出現(xiàn)在冬季；在白天的06∶00—18∶00期間，200m以上的夏季濃度會大于秋季甚至冬季，這應(yīng)該與對流水平、逆溫現(xiàn)象以及邊界層抬升有關(guān).根據(jù)對二氧化碳濃度四季垂直廓線變化的分析，可以看出，邊界層二氧化碳濃度強(qiáng)烈受到碳源、下墊面植被、大氣穩(wěn)定度、環(huán)境溫度和天氣過程等因素的影響.

圖7 不同季節(jié)內(nèi)的二氧化碳濃度廓線（a）00∶00—06∶00；（b）06∶00—12∶00；（c）12∶00—18∶00；（d）18∶00—24∶00Fig.7 CO2profile in different season

圖8 不同時(shí)間段內(nèi)的二氧化碳濃度闊線Fig.8 CO2profile in different certain time of day

4 結(jié)論

二氧化碳是自然大氣中濃度僅次于水汽的重要溫室氣體，也是人類生產(chǎn)生活活動向大氣排放的主要?dú)怏w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.大氣中二氧化碳的濃度反映了人類對化石燃料的消費(fèi)程度，其產(chǎn)物嚴(yán)重影響空氣質(zhì)量，同時(shí)也間接評估本地植被光合作用的強(qiáng)度.北京是全國城市化進(jìn)程發(fā)展最快的城市之一，也是全球范圍內(nèi)呈現(xiàn)氣溫顯著上升和碳排放大幅增加的地區(qū)之一.研究表明，近20年來城市熱島效應(yīng)對北京地區(qū)的增溫貢獻(xiàn)率近50%，近30年間北京市二氧化碳排放年增長率約為4.6%，均高于全國平均水平.此外，霧霾的生成也與化石燃料的消耗密不可分.對北京這樣人口稠密的大城市進(jìn)行基礎(chǔ)性的二氧化碳濃度長期監(jiān)測，有助于了解人類活動對大氣環(huán)境質(zhì)量的影響幅度以及對氣候變化的作用程度，為改善北京空氣質(zhì)量所應(yīng)采取的方式和方法提供建議以及科學(xué)依據(jù).

本文以2012年5月至2013年12月間北京塔7層渦動系統(tǒng)梯度觀測返回的各氣象要素?cái)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對北京地區(qū)二氧化碳濃度在不同高度層次的年變化、季節(jié)變化、日變化特征分別進(jìn)行了分析，并就不同季節(jié)及時(shí)間段的濃度垂直分布廓線進(jìn)行了擬合.研究表明，二氧化碳濃度整體隨高度上升而下降，秋冬季濃度總體大于春夏季；在所有高度層次都存在比較顯著的季節(jié)變化；日變化在近地面觀測層最為顯著，高層濃度主要受天氣過程影響；二氧化碳濃度垂直廓線隨季節(jié)表現(xiàn)出不同的日變化特征；人為碳源、植被光合作用、對流輸送、逆溫過程和以及雨雪、風(fēng)場等環(huán)境條件都是影響邊界層二氧化碳濃度垂直分布的影響因子；本文僅根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)對二氧化碳濃度廓線進(jìn)行了初步的擬合，在未來的工作中，我們將進(jìn)一步分析各影響因子對碳濃度分布的作用程度及范圍，并將濃度擬合廓線外推延伸至邊界層頂.

Clement R.2006.Edire Tutorials（http：／／www.geos.ed.ac.uk／abs／research／micromet／EdiRe／）. School of GeoSciences，Institute of Atmospheric and Environmental Science，Science and Engineering at The University of Edinburgh.

Ding H Y，Zheng Z F，Liu W D.2010.Warming trend and seasonal variation in Beijing during 1951—2008.Advances in Climate Change Research （in Chinese），6（3）：187－191.

Foken Th，Wichura B.1996.Tools for quality assessment of surface－based flux measurements.Agricultural and Forest Meteorology，78（1－2）：83－105.

Grimmond C S B，King T S，Cropley F D，et al.2002.Local－scale fluxes of carbon dioxide in urban environments：methodological challenges and results from Chicago.Environmental Pollution，116（Z1）：S243－S254.

H?jstrup J.1993.A statistical data screening procedure.Measurement Science and Technology，4（2）：153－157.

Jia Q Y，Zhou G S，Wang Y，et al.2010.Characteristic of CO2flux before and in the heating period at urban complex underlying surface area.Environmental Science（in Chinese），31（4）：843－849.Liu C L，Chen C C，Chen Q，et al.2010.Evolution mechanisms of CO2emissions in Beijing city during the period 1997—2007.Resources Science （in Chinese），32（2）：235－241.

Massman W J，Lee X.2002.Eddy covariance flux corrections and uncertainties in long－term studies of carbon and energy exchanges.Agricultural and Forest Meteorology，113（1－4）：121－144.

Nemitz E，Hargreaves K J， McDonald A G，et al.2002.Micrometeorological measurements of the urban heat budget and CO2emissions on a city scale.Environmental Science ＆Technology，36（14）：3139－3146.

Potere D，Schneider A.2007.A critical look at representations of urban areas in global maps.GeoJournal，69（1－2）：55－80，doi：10.1007／s10708－007－9102－z.

Schotanus P，Nieuwstadf F T M，De Bruin H A R.1983.Temperature measurement with a sonic anemometer and its application to heat and moisture fluxes.Boundary－Layer Meteorology，26（1）：81－93.

Song T，Wang Y S.2012.Carbon dioxide fluxes from an urban area in Beijing.Atmospheric Research，106：139－149.

Vickers D，Mahrt L.1997.Quality control and flux sampling problems for tower and aircraft data.Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，14（3）：512－526.

Wang Y，Hu F.2006.Variations of the urban heat island in summer of the recent 10years over Beijing and its environment effect.Chinese J.Geophys.（in Chinese），49（1）：61－68，doi：10.3321／j.issn：0001－5733.2006.01.009.

Wang Y S，Wang C K，Guo X Q，et al，2002.Diurnal，seasonal variation and long－term trends of CO2concentration in Beijing atmosphere.Chinese Science Bulletin （in Chinese），47（14）：1108－1112.

Webb E K，Pearman G I，Leuning R.1980.Correction of flux measurements for density effects due to heat and water vapour transfer.Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society，106（447）：85－100，doi：10.1002／qj.49710644707.

Wilczak J M，Oncley S P，Stage S A.2001.Sonic anemometer tilt correction algorithms.Boundary－Layer Meteorology，99（1）：127－150.

Xu Z W，Liu S M，Gong L J，et al.2008.A study on the data processing and quality assessment of the eddy covariance system.Advances in Earth Science（in Chinese），23（4）：357－370.

附中文參考文獻(xiàn)

丁海燕，鄭祚芳，劉偉東.2010.北京1951—2008年升溫趨勢和季節(jié)變化.氣候變化研究進(jìn)展，6（3）：187－191.

賈慶宇，周廣勝，王宇等.2010.城市復(fù)雜下墊面供暖前后CO2通量特征分析.環(huán)境科學(xué)，31（4）：843－849.

劉春蘭，陳操操，陳群等.2010.1997年至2007年北京市二氧化碳排放變化機(jī)理研究.資源科學(xué)，32（2）：235－241.

王介民.2011.渦動相關(guān)通量觀測指導(dǎo)手冊.

王郁，胡非.2006.近10年來北京夏季城市熱島的變化及環(huán)境效應(yīng)的分析研究.地球物理學(xué)報(bào)，49（1）：61－68，doi：10.3321／j.issn：0001－5733.2006.01.009.

王躍思，王長科，郭雪清等.2002.北京大氣CO2濃度日變化、季變化及長期趨勢.科學(xué)通報(bào)，47（14）：1108－1112.

徐自為，劉紹民，宮麗娟等.2008.渦動相關(guān)儀觀測數(shù)據(jù)的處理與質(zhì)量評價(jià)研究.地球科學(xué)進(jìn)展，23（4）：357－370.