城市排放與輸送對北京上甸子站溫室氣體本底觀測的影響分析

周凌晞姚波方雙喜劉立新王振發

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

城市排放與輸送對北京上甸子站溫室氣體本底觀測的影響分析

周凌晞1姚波1方雙喜1劉立新1王振發2

（1 中國氣象科學研究院，中國氣象局，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）濃度在線觀測為例，統計分析并匹配計算了各風向濃度距平與濃度載荷，探討了各季節城市排放和輸送對上甸子站溫室氣體本底觀測的影響。研究期間，CO2本底數據比例約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物種源區特征的差別；HCFC-22濃度特征與空調制冷劑夏高冬低的季節排放規律相一致。

北京上甸子站，溫室氣體本底觀測，城市排放，輸送

1 引言

自1750年工業革命以來,人類活動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到歷史最高水平,引發了全球變暖等一系列全球及區域性問題。迄今為止,國際社會引用的全球溫室氣體濃度資料主要來自世界氣象組織(WMO)全球大氣觀測網(GAW)。GAW由60多個國家的200多個本底站組成,但這些站點的地理分布很不均勻,發達國家站點較多,亞洲內陸地區站點尤為稀缺[1]。國內相關部門從不同角度出發,采用多種手段先后開展溫室氣體觀測已取得了一系列重要成果,各具優勢和特點。中國氣象局側重于較大區域內溫室氣體濃度的監測,在我國典型氣候區建設7 個本底站并逐步開展溫室氣體觀測。大氣溫室氣體濃度變化主要有在線觀測和采樣分析兩種方式,國際觀測網的長期經驗和研究結果表明,在線觀測的時間分辨率高,可實時反映物種濃度的動態變化,捕捉特定時期內(如1～3d)污染氣團及其輸送路徑,輔以多物種協同觀測有助于判斷物種來源一致性及相互比例關系[1,2]。掌握典型區域溫室氣體本底濃度水平、變化狀況和輸送影響,才能更準確地測算溫室氣體排放源和吸收匯的動態變化,服務于氣候變化應對和碳減排等決策。

2 站址及觀測方法簡介

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

大氣CO2和鹵代溫室氣體均取自采樣塔頂,2011年10月前為位于觀測場內10m采樣塔,2011年10月后為位于觀測場北的80m梯度塔。CO2在線觀測系統的主機采用波長掃描光腔衰蕩G1301型高精度CO2分析儀[4]。用KNF泵和外徑10mm的Syflex1300專用進氣管,經初級和二級冷阱除去水汽,用8口樣品選擇閥自動控制空氣或標氣周期性進樣,主機之前安裝一個高精度質量流量控制器[5,6]。大氣鹵代溫室氣體濃度在線觀測系統的主機采用自行設計組裝的GC-MS系統(HFC-134a、PFC-218)和GC-ECDs系統(HCFC-22),用GAST無油泵和KNF泵將空氣抽進約100m遠的實驗室內,系統原理、分析和定量方法參見本研究組已發表的論文[7,8]。采用美國國家海洋與大氣管理局地球系統研究實驗室(NOAA/ESRL)、改進的全球大氣實驗網(AGAGE)、歐盟鹵代溫室氣體觀測網(SOGE)等國際通用的定量方法、數據處理方法和觀測質量目標,采用的各級標氣可溯源至世界氣象組織(WMO)或斯克里普斯海洋學研究所(SIO)國際標準。大氣CO2濃度處理為小時平均值,HFC-134a和PFC-218空氣樣品時間分辨率為2h, HCFC-22空氣樣品時間分辨率為80min。

圖1 上甸子站不同季節16風向CO2濃度載荷（摩爾比（×10-6））

3 城市排放與輸送對溫室氣體本底觀測的影響分析

3.1 大氣CO2濃度在線觀測的影響分析

2009年1月—2011年12月在線觀測資料統計分析結果顯示,該站大氣CO2濃度變化較大,小時平均值的標準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),表明上甸子站觀測的大氣CO2濃度較多地受到局地和城區排放輸送影響[9]。圖1是2009年1月—2011年12月上甸子站不同季節16風向CO2濃度載荷。

上甸子站4季CO2濃度風玫瑰圖差異較大,表明局地源對觀測濃度有復雜影響。該站年主導風向ENE和WSW,風頻分別大于10%和17%。WSW方向是北京城區,除夏季外該扇區CO2濃度高于季節平均,尤其冬季燃煤供暖導致該風向CO2濃度明顯偏高(相比

季平均抬升約(11.7±1.7)×10―6)。N方向為無人山丘,CO2濃度明顯偏低。CO2濃度隨風速增大明顯降低,靜風下CO2平均濃度為(411.0 ±1.3)×10―6,5級風速CO2濃度降低至(398.9±1.4)×10―6,可能是較大風速稀釋了局地排放累積的CO2[10,11]。選取每日混合層較高時段數據,剔除較高風向載荷及靜風數據[12],獲得上甸子站本底CO2數據比例約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不同季節風向濃度距平與濃度載荷

3.2 大氣HFC-134a和PFC-218濃度在線觀測的影響分析

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

2010年5月—2011年4月上甸子站HFC-134a和PFC-218風向濃度距平和濃度載荷。HFC-134a空間變率大,部分風向濃度距平大于5×10―12。HFC-134a高濃度水平主要由W—WSW—SW—SSW方向(北京城區方向)貢獻引起,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,但風頻較小,對濃度載荷的影響較小。其他扇區對HFC-134a總體濃度水平影響較小。PFC-218濃度距平沒有明顯規律,正距平分布在ESE、SE、SSW、SWS、WSW、W等扇區。盡管濃度載荷高低值分布與HFC-134a相似,但數值要低3個量級,即上甸子站各風向PFC-218濃度較一致,沒有明顯的源區。HFC-134a和PFC-218濃度距平和濃度載荷的特征反映了兩個物種源區特征的差別。

HCFC-22廣泛用于商業制冷、商業和住宅空調及熱泵中,其臭氧層損耗潛能(ODP)遠小于第一代制冷劑CFC-11和CFC-12,但其ODP值仍大于0,已經有幾種制冷劑如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不同季節風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律基本一致,濃度距平及濃度載荷最大的前3位風向均屬西南扇區(S至W,即北京城區方向),反映了來自北京城區方向的排放和輸送對上甸子站HCFC-22濃度均為正的貢獻。值得注意的是,冬季北京城區方向HCFC-22的濃度距平與濃度載荷均小于夏季和秋季,這與北京城區空調制冷劑HCFC-22夏高冬低的季節排放規律相一致。

4 結語

不同季節風向距平及濃度載荷統計分析表明,北京上甸子站大氣CO2和幾種典型鹵代溫室氣體(HFC-134a、HCFC-22)濃度在線觀測均在不同程度上受到城區排放及輸送的影響。物種濃度和地面風實測數據—時間序列匹配分析及本底濃度篩分結果表明,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輸送的信息,也能獲得華北區域的物種本底濃度水平。合理篩分原始資料、分類使用是科學有效的手段。

致謝：感謝北京上甸子站技術人員日常檢查及維護在線觀測系統，并進行每周flask瓶采樣。

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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：國家自然科學基金 （41030107, 41175116）；國家重點基礎研究發展計劃（2010CB950601）；國際科技合作項目（2011DFA21090）