不同氣象條件下大氣CO2濃度變化特征研究

關鍵詞：氣象條件；大氣環境；濃度變化；CO₂；聚類分析

中圖分類號：X831 文獻標志碼：B

前言

CO₂是導致全球變暖的主要氣體之一，并且隨著城市化建設的加深和大量能源燃料的使用，加快了CO₂的增長，大氣污染問題日益凸出，與過去幾十年相比，全球大氣中主要溫室氣體濃度呈現出倍速增長的趨勢，改善大氣環境迫在眉睫。對于此類問題，為了準確認識溫室氣體的變化情況，對大氣CO₂濃度的變化規律進行監測是必不可少的手段，通過多元監測手段，監測大氣CO₂，了解大氣CO₂濃度的主要影響因素和變化規律，對預測未來天氣和降低氣候帶來的不利影響有重要價值。

在目前的研究中，主要利用對CO₂濃度的監測，分析大氣CO₂在時間尺度、垂直和水平梯度上的特征，無論是國內的研究內容還是國外的研究內容，主要的監測方法有基于衛星反演的觀測和基于大氣傳輸模型的CO₂濃度模擬。利用這些監測技術獲得大氣CO₂濃度監測數據，通過系統的記錄，分析影響大氣CO₂濃度的重要因素。現階段，國內常用的監測方式是大氣本底站的定點監測，經過長期的監測與樣本采集，積累了大量監測數據和研究成果，在大氣CO₂濃度變化特征的分析上，也結合了時間分布特點和空間分布特點，表明出了整體特征。但是，對于不同氣象條件對大氣CO₂濃度的影響，研究內容還不算完善，一些常見的分析手段并不能很好地適用，存在數據精度不足、標準偏差明顯的問題。因此，提出不同氣象條件下大氣CO₂濃度變化特征分析，在挖掘大氣CO₂濃度變化規律和影響因素的同時，進一步優化分析方法。

1不同氣象條件下大氣CO₂濃度變化特征分析方法設計

對于CO₂每日的樣本數據和每月的樣本數據，經過預處理后，數據樣本數可能不能滿足要求的數據完整率。因此，在監測數據時，要保證日樣本數在18～22個之間，每月的樣本數在550～650之間。為了了解不同氣象條件對CO₂濃度的影響，需要采集不同氣象條件下的數據，風是影響CO₂濃度變化的主要因素之一，為了準確識別出CO₂濃度的時間變化特征和空間變化特征，將逐月和逐季風向劃分為不同的方位，以22.50為間距分成16個方位，統計出各個方位的風向頻率和平均風速，結合CO₂濃度變化共同分析。

2實驗研究

2.1實驗數據準備

為了完善對不同氣象條件下大氣CO₂濃度變化特征的分析與研究，以提出的分析方法與幾種常見的分析方法作為研究對象，設計實驗方案。采用定性分析的形式，以某區域作為實驗區域，使用氣體分析儀和信息軟件采集CO₂樣本數據，用于實驗分析。考慮到實驗的嚴謹性，設計靜態和動態兩種采樣方式。設置靜態采樣點采樣高度為18 m，以三天為一個采樣周期，獲得數據后經過數據篩選，去除異常數據，得到有效數據。靜態采樣數據見表1。

為了保證動態采樣數據具有良好的有效性，在上午9點-11點之間移動采集數據，剔除異常數據后，得到的動態數據見表2。

分別以靜態數據和動態數據作為目標，使用不同的CO₂分析方法處理這些數據，在得到分析結果后，統計出各個分析方法的數據，用于與實際數據對比，測試數據精度以及分析方法的全局一致性。

2.2 CO₂標準偏差實驗分析

隨機選擇多個采樣點作為目標，從不同的分析方法中提取出部分數據，經過計算和統計得到各個采樣點的CO₂濃度變化值，與實際觀察進行對比分析。具體的實驗結果見表3。

對比觀察表3中顯示的實際觀測值和各個分析方法獲得分析值可知，在三種方法中，提出的分析方法的CO₂濃度與實際觀測值最為接近，在年均值和年幅度的分析上相對準確，標準偏差比較小；相比之下，另外兩種分析方法實驗結果顯示的數據與實際觀察值相差較大，在CO₂濃度年均值和年幅度的分析上標準偏差較大，很難保證大氣C02濃度變化特征分析的可靠性。

2.3數據精度實驗分析

選取某個采樣點，使用不同的分析方法采集數據。對相應的觀測值和分析值之間的擬合值進行計算，進而分析各個方法的數據精度是否達到標準。實驗結果見圖2。

從圖2顯示的數據精度實驗結果中可以看出，各組實驗結果顯示出的信息十分豐富，但是在擬合值和觀測值的解釋上有明顯的變化，對比各組結果可以看出，提出的分析方法擬合值和觀測值在分布特征上有明顯的相似性，總體看來精度較高。并且經過計算基于時間尺度的分析方法檢驗值為0.35，基于地對空觀測光譜的分析方法的檢驗值為0.6，提出的分析方法的檢驗值為0.88，說明提出的分析方法數據精度更高。

2.4全局一致性實驗分析

在全局一致性實驗中，以CO₂濃度標準偏差實驗結果和數據精度實驗結果作為依據，利用計算機第三方軟件計算出全局性指數，分別以靜態數據和動態數據作為條件，分析各個分析方法的全局一致性水平。實驗結果見圖3。

各個分析方法的全局一致性實驗結果如圖3所示，其中方法1表示基于時間尺度的分析方法，方法2表示提出的分析方法，方法3表示基于地對空觀測光譜的分析方法。圖3（a）中，只有方法2的全局性指數在及格線以上，在圖3（b）中，雖然提出的分析方法和基于地對空觀測光譜的分析方法同樣在及格線上，但是提出的分析方法指數值更高，說明全局性更好。綜合上述三組實驗結果可知，提出的CO₂濃度變化特征分析方法數據精度高，全局穩定，優于常見的分析方法。

3結語

文章以不同氣象條件下大氣CO₂濃度變化特征作為研究目標，利用氣體分析儀和信息軟件采集CO₂樣本數據，分析不同氣象條件下的大氣CO₂，為保證空氣環境質量安全提供一定的技術支持。經過對大氣CO₂濃度變化特征的分析和總結，可知大氣CO₂的濃度變化與風向、光照等因素息息相關，為了進一步驗證分析結果的可靠性，以提出的分析方法與幾種常見的分析方法作為研究對象，設計實驗方案，通過對分析方法數據精度、標準偏差等內容的實驗與分析，結果表明，提出的分析方法所得結果與實際結果差距較小，擬合值和觀測值在分布特征上有明顯的相似性，其檢驗值為0.88，具有較高精度，且在不同條件下其分析結果均在及格線以上，具有更好的全局一致性，能夠保證結果的可靠性。