2012～2017年阿克達(dá)拉CO濃度特征與氣象要素關(guān)系分析

錢康妮,稅友智,莊曉翠,博爾楠,王 丹

(1.阿勒泰地區(qū)氣象臺(tái)，新疆 阿勒泰 836500；2.富蘊(yùn)縣氣象局，新疆 富蘊(yùn) 836100)

引 言

一氧化碳是(CO)是大氣中的主要污染物之一，高濃度的一氧化碳對(duì)人體健康有一定危害。同時(shí)世界氣象組織/全球大氣觀測網(wǎng)絡(luò)認(rèn)定CO是為一種重要的間接溫室氣體，它能夠間接地對(duì)其他溫室氣體的大氣壽命產(chǎn)生影響，是研究污染物在大氣中轉(zhuǎn)化、輸送與再分布的重要示蹤物，是具有氣候意義的大氣成分。因此，研究CO濃度變化特征、傳輸過程以及影響因素非常重要，這對(duì)改善環(huán)境質(zhì)量及人類的生產(chǎn)生活都有著重要的意義和參考價(jià)值。

近年來，國內(nèi)許多學(xué)者對(duì)本底站及城市測站的近地面CO濃度變化的研究已經(jīng)有了較多成果，如北京、天津、婁底市等城市與龍鳳山大氣本底站的CO濃度日變化均為雙峰型變化，但龍鳳山大氣本底站峰值相較于城市出的現(xiàn)時(shí)間滯后；城市地區(qū)與本底站的季節(jié)變化基本一致[1～5]。方雙喜[6]等研究臨安大氣本底站CO濃度的發(fā)現(xiàn)，臨安大氣本底站年峰值出現(xiàn)的時(shí)間要早于北半球本底站峰值出現(xiàn)的時(shí)間，峰值基本吻合，同時(shí)發(fā)現(xiàn)東東北方向的地面來風(fēng)對(duì)CO濃度的增長有較大貢獻(xiàn)。但目前國內(nèi)學(xué)者對(duì)阿克達(dá)拉大氣本底站大氣成分研究較少、起步較晚[7～9]，同時(shí)對(duì)阿克達(dá)拉CO變化及影響因子的研究還不夠深入。目前研究發(fā)現(xiàn)其觀測到的CO濃度變化特征與中國東部及沿海城市的觀測結(jié)果有較大區(qū)別，局地特征明顯，故阿克達(dá)拉區(qū)域大氣本底站CO長序列變化特征能夠較明顯的反映出氣候因素的影響，因此本文利用阿克達(dá)拉區(qū)域大氣本底站2012～2017年逐分鐘CO濃度觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行基本特征分析和氣象要素相關(guān)關(guān)系，為后續(xù)更加深入的研究提供參考，同時(shí)能夠?qū)Ω：？h周邊空氣質(zhì)量評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

阿克達(dá)拉區(qū)域大氣本底站是我國唯一的平原大氣本底站，位于新疆阿勒泰地區(qū)福?？h境內(nèi)(圖1)，屬于典型的大陸性溫帶干旱、半干旱氣候區(qū)域，站址四周50千米內(nèi)為戈壁和沖積平地，人煙稀少，也沒有明顯的工業(yè)污染，具有典型的局地特點(diǎn)，是了解中國西部上游區(qū)域CO變化特征及其影響因素的重要窗口。

圖1 阿克達(dá)拉大氣本底站的位置(圖中紅色五角星所示)

阿克達(dá)拉區(qū)域大氣本底站使用澳大利亞Ecotech公司生產(chǎn)的EC/ML9830T型CO分析儀，資料采用經(jīng)過中國氣象科學(xué)院大氣探測中心篩選、整理、檢測，并剔除不完成及錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的阿克達(dá)拉區(qū)域大氣本底站一氧化碳2012年1月1日～2018年3月31日每1分鐘觀測1次的資料，在此基礎(chǔ)上，按照異常值≤25%的標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算每5min平均，即在1分鐘數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上，異常值≤1次，即可計(jì)算5分鐘平均數(shù)據(jù)。依次類推，分別做小時(shí)、日、月、年的統(tǒng)計(jì)，在統(tǒng)計(jì)之后將數(shù)據(jù)原有單位ppb通過公式換算成濃度單位μg/m3，根據(jù)最終所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行濃度特征分析及相關(guān)性分析。

本文根據(jù)阿勒泰地區(qū)氣候及農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)，春季為4～5月，夏季為6～8月，秋季為9～10月，冬季為11月～次年3月，冬季又劃分為前冬和后冬，將11～12月劃分為前冬，次年1～3月劃分為后冬。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO年際變化特征

圖2為2012年至2017年CO濃度年平均變化特征，年平均值為173.05 μg/m3。2012～2017年一氧化碳質(zhì)量濃度年變化特征呈下降趨勢(shì)，年下降率為-7.51 μg/m3·a-1，2014～2016年CO濃度趨勢(shì)下降較為明顯，累計(jì)下降了39.42 μg/m3；在2012年為最大值193.58 μg/m3，2014年達(dá)到次大值187.73 μg/m3；最小值出現(xiàn)在2016年為148.31 μg/m3。

圖2 2012～2017年CO濃度年際變化

2.2 季節(jié)變化特征

表1表示2012～2017年阿克達(dá)拉CO季節(jié)平均濃度值,可以直觀的得到阿克達(dá)拉CO濃度的季節(jié)變化規(guī)律為：后冬>前冬>春季>秋季>夏季。后冬CO濃度最高，平均值為237.37 μg/m3，其次為前冬，CO濃度平均值為205.65 μg/m3；夏季CO濃度最低，平均值為129.54 μg/m3與秋季只相差0.90 μg/m3。這種季節(jié)規(guī)律與婁底市CO濃度季節(jié)變化基本一致[2]，與濟(jì)南市[3]和天津市[4]變化略有不同，但均是冬季CO濃度平均值最高，夏季CO濃度平均值最低。分析原因，一是冬季處于采暖期，周圍縣城大量燃煤造成CO排放量明顯上升；二是冬季大氣較為穩(wěn)定，容易生成逆溫層，導(dǎo)致大氣污染物容易累積不易消散；三是冬季太陽輻射較弱，對(duì)CO的消耗減小，因此冬季CO濃度高于其他季節(jié)。夏季CO濃度最低因?yàn)橄募具吔鐚虞^高，強(qiáng)對(duì)流天氣頻發(fā)，大氣不穩(wěn)定[10]，有利于CO的擴(kuò)散，同時(shí)夏季日照時(shí)間長造成的太陽輻射高能夠加速CO消耗。

表1 2012～2017年阿克達(dá)拉CO季節(jié)平均濃度

2.3 月變化特征

由圖3給出的2012～2017年阿克達(dá)拉CO濃度月變化可知，CO月變化基本呈現(xiàn)出U型分布規(guī)律，即在1月、2月、12月濃度較高，6～9月濃度較低。1月CO月濃度平均值高達(dá)287.14 μg/m3為全年濃度最高，其次12月CO濃度為254.60 μg/m3；CO月平均濃度最低出現(xiàn)在6月為120.67 μg/m3；6～9月變化平緩，10月CO月平均濃度開始急速上升。與北半球大氣本底站CO質(zhì)量濃度變化[6]相比略有不同，阿克達(dá)拉本底站最高值出現(xiàn)在1月，北半球大氣本底站CO質(zhì)量濃度最高值一般在3～4月，明顯早于北半球峰值出現(xiàn)的時(shí)間；而北半球大氣本底站CO質(zhì)量濃度一般在7～8月出現(xiàn)最低值,阿克達(dá)拉6月出現(xiàn)最低值，略早于北半球谷值出現(xiàn)的時(shí)間；主要由于新疆阿勒泰地區(qū)進(jìn)入采暖期早且漫長，10月中下旬開始阿勒泰地區(qū)進(jìn)入采暖期，直至翌年4月下旬結(jié)束，雖然采暖期阿克達(dá)拉區(qū)域沒有燃煤即沒有強(qiáng)的CO排放源，但周邊城市會(huì)燃燒大量的煤炭，其排放的大量CO混合氣團(tuán)遠(yuǎn)距離持續(xù)輸送[5]，且秋冬季節(jié)大氣較為穩(wěn)定，邊界層也維持在較低高度，有利于近地面CO的累積；同時(shí)10月開始阿克達(dá)拉日照時(shí)間明顯縮短，太陽輻射也相對(duì)較弱，不利于CO與·OH發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致CO消耗減小。綜上所述，CO源排放量的增加和CO消耗減弱共同造成采暖期間CO濃度維持在較高水平。

圖3 2012～2017年CO月濃度變化

2.4 日變化特征

圖4為2012年至2017年阿克達(dá)拉各季節(jié)CO平均濃度日變化規(guī)律，整體來說，阿克達(dá)拉各季節(jié)CO日變化相對(duì)平緩，均在每日凌晨1：00出現(xiàn)谷值，且在前冬與后冬均在中午13：00和傍晚20：00出現(xiàn)較明顯的峰值，季節(jié)峰谷變化并不明顯，這與北京市、濟(jì)南市、天津市等城市的“雙峰型”結(jié)構(gòu)的CO日濃度變化有較大差異[1～4]，這與趙江偉等[11]在研究采暖期與非采暖期的CO日變化規(guī)律相同，考慮原因主要為阿克達(dá)拉本底站四周空曠、人煙稀少，大氣較為清潔，沒有強(qiáng)烈的污染源，其上游地區(qū)為中亞和西伯利亞等污染源排放較少的地區(qū)，氣流水平輸送貢獻(xiàn)較小，同時(shí)人類活動(dòng)影響也較為有限；而城市地區(qū)不僅有直接的CO排放源，更受人為活動(dòng)的直接影響，“上下班效應(yīng)”尤為明顯，所以人為因素的影響是造成阿克達(dá)拉與城市地區(qū)CO質(zhì)量濃度日變化差異的主要原因。

圖4 2012～2017年各季節(jié)CO平均濃度日變化

2.5 不同季節(jié)氣象要素對(duì)CO濃度的影響

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，CO濃度變化有著顯著的季節(jié)差異，日變化和月變化均沒有季節(jié)變化顯著，考慮到阿克達(dá)拉區(qū)域大氣清潔，人為活動(dòng)影響較小，猜測造成阿克達(dá)拉CO質(zhì)量濃度變化顯著性季節(jié)差異與氣象要素有著密不可分的關(guān)系。

表2為不同時(shí)間尺度CO濃度與主要?dú)庀笠氐钠栠d相關(guān)系數(shù)表，其中樣本數(shù)據(jù)為2012～2017年為按組剔除錯(cuò)誤日數(shù)據(jù)后的樣本，總樣本數(shù)為2 167d，其中春季樣本數(shù)為362d、夏季樣本數(shù)為547d、秋季樣本數(shù)為364d、前冬樣本數(shù)為362d、后冬樣本數(shù)為532d。由表3可知，總體來看，全年CO質(zhì)量濃度與各氣象要素均有極顯著的相關(guān)性，說明單一氣象要素對(duì)長序列的CO質(zhì)量濃度的變化是有較明顯的影響。

表2 不同時(shí)間尺度CO濃度和主要?dú)庀笠蛩氐钠栠d相關(guān)系數(shù)

分季節(jié)來看，在不同季節(jié)尺度下，阿克達(dá)拉CO濃度與主要?dú)庀笠氐南嚓P(guān)關(guān)系存在明顯的差異性。春季CO質(zhì)量濃度除平均氣壓外，與其他氣象要素均為顯著負(fù)相關(guān)，其中與平均溫度為極顯著負(fù)相關(guān)。夏季CO質(zhì)量濃度僅與平均氣壓為極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明夏季氣象要素對(duì)CO質(zhì)量濃度變化影響較小，而氣壓的變化對(duì)CO質(zhì)量濃度影響較大，表現(xiàn)為夏季受熱低壓控制、平均氣壓較低，常伴隨著明顯的上升運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)對(duì)流天氣頻發(fā)，導(dǎo)致近地面CO不易累積。秋季CO質(zhì)量濃度與平均2min風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，受其他氣象要素影響較小。前冬和后冬兩個(gè)季節(jié)均與平均相對(duì)濕度極顯著正相關(guān)，與平均氣溫和平均2min風(fēng)速為極顯著負(fù)相關(guān)；不同的是后冬季節(jié)與平均氣壓也為顯著正相關(guān)關(guān)系；說明在冬季CO質(zhì)量濃度變化受氣象要素影響最為明顯。

結(jié)合表3不同季節(jié)CO濃度與各氣象要素平均值，在CO質(zhì)量濃度較高的前冬和后冬季節(jié)，均具有較高的相對(duì)濕度、氣壓，較小平均2min風(fēng)速、氣溫，同時(shí)有研究發(fā)現(xiàn)[12～14]，高相對(duì)濕度和低風(fēng)速的氣象條件下，大氣靜穩(wěn)、不利于大氣污染物的擴(kuò)散；冬季平均氣壓較高，通常表現(xiàn)為受大陸冷高壓[15]控制，容易出現(xiàn)下沉運(yùn)動(dòng)，穩(wěn)定天氣形勢(shì)較多、大氣層結(jié)穩(wěn)定；阿克達(dá)拉冬季經(jīng)常處于蒙古高壓的底后部，背景場為偏東風(fēng)，氣團(tuán)來自偏東地區(qū)的蒙古和內(nèi)蒙古、陜西等地，氣團(tuán)攜帶較多污染物，同時(shí)較小的風(fēng)速也容易導(dǎo)致CO的累積，同時(shí)較低的溫度則會(huì)導(dǎo)致周邊城市加大取暖力度，增加CO的源排放，這些共同氣象要素的作用造成冬季CO質(zhì)量濃度遠(yuǎn)高于其他季節(jié)。結(jié)合學(xué)者[10]在研究阿克達(dá)拉CO傳輸路徑分析時(shí)的發(fā)現(xiàn)，CO濃度主要在SW-SSW-S-SSE扇區(qū)出現(xiàn)高值區(qū)，圖2中2017年3月CO質(zhì)量濃度明顯較其他年份偏高，較小的平均2min風(fēng)速且多為南、西南來向的風(fēng)對(duì)其增大與明顯的影響。

表3 不同季節(jié)CO濃度與各氣象要素平均值

3 結(jié) 論

通過對(duì)阿克達(dá)拉2012～2017年CO質(zhì)量濃度逐日資料和基本氣象站同期逐日氣象資料統(tǒng)計(jì)分析，得到阿克達(dá)拉CO質(zhì)量濃度基本分布特征及其與主要?dú)庀笠氐南嚓P(guān)關(guān)系，結(jié)論如下。

3.1 阿克達(dá)拉2012～2017年CO質(zhì)量濃度年變化特征呈下降趨勢(shì)，在2012年為最大值，2016年出現(xiàn)最小值。阿克達(dá)拉CO質(zhì)量濃度存在明顯的季節(jié)變化，后冬CO濃度最高；夏季CO濃度最低；月變化呈現(xiàn)出U型分布規(guī)律，1月為全年CO質(zhì)量濃度最高，明顯早于北半球最高值出現(xiàn)的時(shí)間；6月為全年CO質(zhì)量濃度最低，略早于北半球最小值出現(xiàn)的時(shí)間。

3.2 阿克達(dá)拉各季節(jié)CO質(zhì)量濃度沒有明顯的日變化,這與我國北方城市日CO質(zhì)量濃度日變化有較大差異，考慮原因人為活動(dòng)因素是造成阿克達(dá)拉與城市地區(qū)CO質(zhì)量濃度日變化差異較大的主要原因。

3.3 單一氣象要素對(duì)長序列的CO質(zhì)量濃度的變化是有較明顯的影響，在不同季節(jié)尺度下，阿克達(dá)拉CO濃度與主要?dú)庀笠氐南嚓P(guān)關(guān)系存在明顯的差異性，夏季、秋季CO質(zhì)量濃度變化與氣象要素相關(guān)性較小，而前冬與后冬CO質(zhì)量濃度變化與氣象要素相關(guān)性較大，但平均2min風(fēng)速除夏季外，與其他季節(jié)CO質(zhì)量濃度變化均有顯著相關(guān)性。這對(duì)進(jìn)行阿克達(dá)拉大氣本底站CO濃度的預(yù)報(bào)打下了基礎(chǔ)，同時(shí)能夠?qū)ζ渲車貐^(qū)的空氣質(zhì)量評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。

3.4 阿克達(dá)拉大氣本底站CO的特征能夠較好的代表中國西部上游大氣中CO的特征變化,通過研究發(fā)現(xiàn)，中國西部大氣CO的特征變化與其東部地區(qū)和其他大氣本底站有顯著的差異,主要表現(xiàn)在日變化和月變化鋒谷值出現(xiàn)時(shí)間,這些需要后續(xù)更加深入的研究和分析，找出造成差異的主要影響因素。

致謝：感謝原中國氣象科學(xué)院大氣探測中心林偉立老師為本文提供質(zhì)控程序！