城市排放與輸送對(duì)北京上甸子站溫室氣體本底觀測(cè)的影響分析

周凌晞姚波方雙喜劉立新王振發(fā)

（1 中國(guó)氣象科學(xué)研究院，中國(guó)氣象局，北京 100081；2 北京市密云縣氣象局，北京 101500）

城市排放與輸送對(duì)北京上甸子站溫室氣體本底觀測(cè)的影響分析

周凌晞1姚波1方雙喜1劉立新1王振發(fā)2

（1 中國(guó)氣象科學(xué)研究院，中國(guó)氣象局，北京 100081；2 北京市密云縣氣象局，北京 101500）

以北京上甸子區(qū)域大氣本底站二氧化碳（CO2）和幾種典型鹵代溫室氣體（HFC-134a、PFC-218 和HCFC-22）濃度在線觀測(cè)為例，統(tǒng)計(jì)分析并匹配計(jì)算了各風(fēng)向濃度距平與濃度載荷，探討了各季節(jié)城市排放和輸送對(duì)上甸子站溫室氣體本底觀測(cè)的影響。研究期間，CO2本底數(shù)據(jù)比例約21.2%，受局地和城市排放與輸送影響，非本底濃度比本底濃度偏高（3.7±1.3）×10-6；HFC-134a和PFC-218濃度距平和濃度載荷的特征反映了兩個(gè)物種源區(qū)特征的差別；HCFC-22濃度特征與空調(diào)制冷劑夏高冬低的季節(jié)排放規(guī)律相一致。

北京上甸子站，溫室氣體本底觀測(cè)，城市排放，輸送

1 引言

自1750年工業(yè)革命以來,人類活動(dòng)造成溫室氣體排放總量不斷增加,大氣中溫室氣體濃度逐年上升并達(dá)到歷史最高水平,引發(fā)了全球變暖等一系列全球及區(qū)域性問題。迄今為止,國(guó)際社會(huì)引用的全球溫室氣體濃度資料主要來自世界氣象組織(WMO)全球大氣觀測(cè)網(wǎng)(GAW)。GAW由60多個(gè)國(guó)家的200多個(gè)本底站組成,但這些站點(diǎn)的地理分布很不均勻,發(fā)達(dá)國(guó)家站點(diǎn)較多,亞洲內(nèi)陸地區(qū)站點(diǎn)尤為稀缺[1]。國(guó)內(nèi)相關(guān)部門從不同角度出發(fā),采用多種手段先后開展溫室氣體觀測(cè)已取得了一系列重要成果,各具優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。中國(guó)氣象局側(cè)重于較大區(qū)域內(nèi)溫室氣體濃度的監(jiān)測(cè),在我國(guó)典型氣候區(qū)建設(shè)7 個(gè)本底站并逐步開展溫室氣體觀測(cè)。大氣溫室氣體濃度變化主要有在線觀測(cè)和采樣分析兩種方式,國(guó)際觀測(cè)網(wǎng)的長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)和研究結(jié)果表明,在線觀測(cè)的時(shí)間分辨率高,可實(shí)時(shí)反映物種濃度的動(dòng)態(tài)變化,捕捉特定時(shí)期內(nèi)(如1～3d)污染氣團(tuán)及其輸送路徑,輔以多物種協(xié)同觀測(cè)有助于判斷物種來源一致性及相互比例關(guān)系[1,2]。掌握典型區(qū)域溫室氣體本底濃度水平、變化狀況和輸送影響,才能更準(zhǔn)確地測(cè)算溫室氣體排放源和吸收匯的動(dòng)態(tài)變化,服務(wù)于氣候變化應(yīng)對(duì)和碳減排等決策。

2 站址及觀測(cè)方法簡(jiǎn)介

上甸子站位于北京市密云縣高嶺鎮(zhèn)上甸子村(117°07′E, 40°39′N,海拔293.9m),下墊面主要為果樹、松樹、農(nóng)田等植被,位于北京市主城區(qū)東北方向, 距市中心直線距離約100km。該站2005年入選科技部“國(guó)家大氣成分本底野外觀測(cè)研究站”, 也是世界氣象組織(WMO)全球大氣觀測(cè)網(wǎng)(GAW)的區(qū)域大氣本底站之一。全年盛行風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)和西南風(fēng)[3]。

大氣CO2和鹵代溫室氣體均取自采樣塔頂,2011年10月前為位于觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)10m采樣塔,2011年10月后為位于觀測(cè)場(chǎng)北的80m梯度塔。CO2在線觀測(cè)系統(tǒng)的主機(jī)采用波長(zhǎng)掃描光腔衰蕩G1301型高精度CO2分析儀[4]。用KNF泵和外徑10mm的Syflex1300專用進(jìn)氣管,經(jīng)初級(jí)和二級(jí)冷阱除去水汽,用8口樣品選擇閥自動(dòng)控制空氣或標(biāo)氣周期性進(jìn)樣,主機(jī)之前安裝一個(gè)高精度質(zhì)量流量控制器[5,6]。大氣鹵代溫室氣體濃度在線觀測(cè)系統(tǒng)的主機(jī)采用自行設(shè)計(jì)組裝的GC-MS系統(tǒng)(HFC-134a、PFC-218)和GC-ECDs系統(tǒng)(HCFC-22),用GAST無油泵和KNF泵將空氣抽進(jìn)約100m遠(yuǎn)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi),系統(tǒng)原理、分析和定量方法參見本研究組已發(fā)表的論文[7,8]。采用美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局地球系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室(NOAA/ESRL)、改進(jìn)的全球大氣實(shí)驗(yàn)網(wǎng)(AGAGE)、歐盟鹵代溫室氣體觀測(cè)網(wǎng)(SOGE)等國(guó)際通用的定量方法、數(shù)據(jù)處理方法和觀測(cè)質(zhì)量目標(biāo),采用的各級(jí)標(biāo)氣可溯源至世界氣象組織(WMO)或斯克里普斯海洋學(xué)研究所(SIO)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。大氣CO2濃度處理為小時(shí)平均值,HFC-134a和PFC-218空氣樣品時(shí)間分辨率為2h, HCFC-22空氣樣品時(shí)間分辨率為80min。

圖1 上甸子站不同季節(jié)16風(fēng)向CO2濃度載荷（摩爾比（×10-6））

3 城市排放與輸送對(duì)溫室氣體本底觀測(cè)的影響分析

3.1 大氣CO2濃度在線觀測(cè)的影響分析

2009年1月—2011年12月在線觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示,該站大氣CO2濃度變化較大,小時(shí)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差在春夏秋冬四季分別為9.5×10―6、21.5×10―6、15.9×10―6和12.7×10―6(摩爾比,下同),表明上甸子站觀測(cè)的大氣CO2濃度較多地受到局地和城區(qū)排放輸送影響[9]。圖1是2009年1月—2011年12月上甸子站不同季節(jié)16風(fēng)向CO2濃度載荷。

上甸子站4季CO2濃度風(fēng)玫瑰圖差異較大,表明局地源對(duì)觀測(cè)濃度有復(fù)雜影響。該站年主導(dǎo)風(fēng)向ENE和WSW,風(fēng)頻分別大于10%和17%。WSW方向是北京城區(qū),除夏季外該扇區(qū)CO2濃度高于季節(jié)平均,尤其冬季燃煤供暖導(dǎo)致該風(fēng)向CO2濃度明顯偏高(相比

季平均抬升約(11.7±1.7)×10―6)。N方向?yàn)闊o人山丘,CO2濃度明顯偏低。CO2濃度隨風(fēng)速增大明顯降低,靜風(fēng)下CO2平均濃度為(411.0 ±1.3)×10―6,5級(jí)風(fēng)速CO2濃度降低至(398.9±1.4)×10―6,可能是較大風(fēng)速稀釋了局地排放累積的CO2[10,11]。選取每日混合層較高時(shí)段數(shù)據(jù),剔除較高風(fēng)向載荷及靜風(fēng)數(shù)據(jù)[12],獲得上甸子站本底CO2數(shù)據(jù)比例約21.2%,受局地和城市排放與輸送的影響,非本底濃度比本底濃度平均偏高(3.7±1.3)×10―6。

圖2 2010年5月—2011年4月上甸子站HFC-134a（a）和PFC-218（b）風(fēng)向濃度距平和濃度載荷

圖3 2007年3月—2011年2月上甸子站HCFC-22不同季節(jié)風(fēng)向濃度距平與濃度載荷

3.2 大氣HFC-134a和PFC-218濃度在線觀測(cè)的影響分析

HFC-134a主要用于車載空調(diào),城市是其主要源區(qū)[13]；PFC-218主要用于半導(dǎo)體和電子工業(yè)過程的清洗和蝕刻等,但北京城區(qū)并非其強(qiáng)排放源[14]。圖2是

2010年5月—2011年4月上甸子站HFC-134a和PFC-218風(fēng)向濃度距平和濃度載荷。HFC-134a空間變率大,部分風(fēng)向濃度距平大于5×10―12。HFC-134a高濃度水平主要由W—WSW—SW—SSW方向(北京城區(qū)方向)貢獻(xiàn)引起,N—NNE—NE—ENE方向則造成整年HFC-134a濃度水平降低。NNW雖濃度距平較低,但風(fēng)頻較小,對(duì)濃度載荷的影響較小。其他扇區(qū)對(duì)HFC-134a總體濃度水平影響較小。PFC-218濃度距平?jīng)]有明顯規(guī)律,正距平分布在ESE、SE、SSW、SWS、WSW、W等扇區(qū)。盡管濃度載荷高低值分布與HFC-134a相似,但數(shù)值要低3個(gè)量級(jí),即上甸子站各風(fēng)向PFC-218濃度較一致,沒有明顯的源區(qū)。HFC-134a和PFC-218濃度距平和濃度載荷的特征反映了兩個(gè)物種源區(qū)特征的差別。

HCFC-22廣泛用于商業(yè)制冷、商業(yè)和住宅空調(diào)及熱泵中,其臭氧層損耗潛能(ODP)遠(yuǎn)小于第一代制冷劑CFC-11和CFC-12,但其ODP值仍大于0,已經(jīng)有幾種制冷劑如HFC-134a等作為其替代物[13]。圖3是2007年3月—2011年2月,上甸子站HCFC-22不同季節(jié)風(fēng)向濃度距平與濃度載荷,HCFC-22在春夏秋冬四季的濃度變化規(guī)律基本一致,濃度距平及濃度載荷最大的前3位風(fēng)向均屬西南扇區(qū)(S至W,即北京城區(qū)方向),反映了來自北京城區(qū)方向的排放和輸送對(duì)上甸子站HCFC-22濃度均為正的貢獻(xiàn)。值得注意的是,冬季北京城區(qū)方向HCFC-22的濃度距平與濃度載荷均小于夏季和秋季,這與北京城區(qū)空調(diào)制冷劑HCFC-22夏高冬低的季節(jié)排放規(guī)律相一致。

4 結(jié)語

不同季節(jié)風(fēng)向距平及濃度載荷統(tǒng)計(jì)分析表明,北京上甸子站大氣CO2和幾種典型鹵代溫室氣體(HFC-134a、HCFC-22)濃度在線觀測(cè)均在不同程度上受到城區(qū)排放及輸送的影響。物種濃度和地面風(fēng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)—時(shí)間序列匹配分析及本底濃度篩分結(jié)果表明,北京上甸子站不僅可以捕捉到城市排放及較高濃度空氣團(tuán)輸送的信息,也能獲得華北區(qū)域的物種本底濃度水平。合理篩分原始資料、分類使用是科學(xué)有效的手段。

致謝：感謝北京上甸子站技術(shù)人員日常檢查及維護(hù)在線觀測(cè)系統(tǒng)，并進(jìn)行每周flask瓶采樣。

[1] 周凌晞, 劉立新, 張曉春, 等. 中國(guó)溫室氣體本底濃度網(wǎng)絡(luò)化觀測(cè)的初步結(jié)果. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào), 2008, 19(6): 641-645.

[2] 周凌晞, 周秀驥, 張曉春, 等. 瓦里關(guān)溫室氣體本底研究的主要進(jìn)展. 氣象學(xué)報(bào), 2007, 65(3): 458-468.

[3] 姚波, 周凌晞, 張芳, 等. 上甸子區(qū)域大氣本底站HCFC-22濃度連續(xù)觀測(cè)研究. 環(huán)境科學(xué), 2010, 31(8): 1749-1754.

[4]Crosson E R. A cavity ring-down analyzer for measuring atmospheric levels of methane, carbon dioxide, and water vapor. Applied Physics B, 2008, 92(3): 403-408.

[5] 臧昆鵬, 周凌晞, 方雙喜, 等. 新型CO2和CH4混合標(biāo)氣標(biāo)校流程及方法. 環(huán)境化學(xué), 2011, 30(2): 511-516.

[6] 方雙喜, 周凌晞, 臧昆鵬, 等. 光腔衰蕩光譜（CRDS）法觀測(cè)我國(guó)4個(gè)本底站大氣CO2.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 31(30): 624-629.

[7] 姚波, 周凌晞, 張芳, 等. 氣相色譜-電子捕獲檢測(cè)法在線觀測(cè)12種鹵代溫室氣體. 環(huán)境化學(xué), 2010, 29(6): 1158-1162.

[8]Yao B, Vollmer M K, Zhou L X, et al. In-situ measurements of atmospheric hydrofluorocarbons (HFCs) and perfluorocarbons (PFCs) at the Shangdianzi regional background station,China. Atmos Chem Phys, 2012, 12: 10181-10193.

[9]Liu L X, Zhou L X, Zhang X C, et al. The characteristics of atmospheric CO2concentration variation of four national background stations in China. Sci China Ser D: Earth Sci, 2009, 52(11): 1857-1863, doi: 0.1007/s11430-009-0143-7.

[10]Haszpra L, Barcza Z, Hidy D, et al. Trends and temporal variations of major greenhouse gases at a rural site in Central Europe. Atmospheric Environment, 2008, 42: 8707-8716.

[11]Zhou L X, Tang J, Wen Y P, et al. The impact of local winds and long-range transport on the continuous carbon dioxide record at Mount Waliguan, China. Tellus, 2003, 55B: 145-158.

[12]Fang S X, Zhou L X, Masarie K A, et al. Study of atmospheric CH4mole fractions at three WMO/GAW stations in China. J Geophys Res, 2013, 118 (D10): 4874-4886, doi: 10.1002/ jgrd.50284.

[13]萬丹. 中國(guó)主要ODS和HFCs物質(zhì)的排放清單及其驗(yàn)證研究. 北京大學(xué)博士論文, 2010.

[14]Mühle J, Ganesan A L, Miller B R S, et al. Perfluorocarbons in the global atmosphere: Tetrafluoromethane, hexafluoroethane, and octa fl uoropropane. Atmos Chem Phys, 2010, 10: 5145-5164, doi:10.5194/acp-10-5145-2010.

Study on Impact of City Emission and Transportation on Greenhouse Gases Background Observation at
Shangdianzi Regional Station, Beijing

Zhou Lingxi1, Yao Bo1, Fang Shuangxi1, Liu Lixin1, Wang Zhenfa2
(1 Chinese Academy of Meteorological Sciences, China Meteorological Administration, Beijing 100081 2 Miyun County Meteorological Bureau, Beijing 101500)

In this study in-situ measurement of carbon dioxide (CO2) and several halogenated greenhouse gases (HFC-134a, PFC-218 and HCFC-22) were chosen for the case study. We did statistical analysis and calculated concentration anomalies and loadings of each wind direction and discussed impact of city emission and transportation on greenhouse gases background observation at Shangdianzi Regional Station in different seasons. In the study period, the ratio of background concentration of CO2was about 21.2%. The difference of non-background concentration and background concentration was (3.7±1.3)×10-6by local and city emission and transportation. Anomalies and loadings of HFC-134a and PFC-218 ref l ected the difference of source characteristics of these two compounds. The seasonal trends of HCFC-22 were consistent with the emission pattern of refrigerant.

Beijing Shangdianzi Regional Station, greenhouse gases background observation, city emission, transportation

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.03.008

2013年6月3日；

2013年7月17日

周凌晞（1965—），Email：zhoulx@cams.cma.gov.cn

資助信息：國(guó)家自然科學(xué)基金 （41030107, 41175116）；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（2010CB950601）；國(guó)際科技合作項(xiàng)目（2011DFA21090）