临安区域大气本底站温室气体研究进展*

徐宏辉 刘 洁 浦静姣 马千里

(1．浙江省气象科学研究所，浙江 杭州310017;2．浙江省气象局，浙江 杭州310002;3．临安区域大气本底站，浙江 临安311307)

0 引言

CO2，CH4，N2O，SF6，氢氟碳化物和全氟化碳等是影响全球温度的主要温室气体。随着全球工业化进程的不断加快，人类活动造成的大气中温室气体浓度的升高显著影响了全球的气候、生态环境、经济等各方面。政府间气候变化专门委员会(IPCC)于2007年发布的第4次评估报告指出，过去50 a监测到大部分全球平均温度升高，非常可能(＞90%可能性)是由于人为排放使温室气体浓度增高所造成［1］。

临安区域大气本底站坐落在浙江省临安市横畈镇大罗村，东经 119°44'，北纬 30°18'，海拔138．6 m。该站常年平均气温15．3℃，年均降水量约1480 mm，四季分明，盛行风向以东北风和西南风为主，特殊天气现象和逆温层的出现频率很低，具有典型的亚热带季风区的气候和大气环流特征，能够很好的反映长江三角洲区域大气本底的特征。临安区域大气本底站是联合国世界气象组织全球大气观测网(GAW)区域大气本底站，也是我国科学技术部国家大气成分本底野外观测研究站。

20世纪80年代，临安区域本底站开展了短期的温室气体浓度观测［2］，为我国温室气体研究积累了宝贵经验。自2006年以来，临安区域本底站开展了温室气体瓶采样测量CO2和CH4的观测实验。2008年开始，陆续开展温室气体在线观测项目以及卤代温室气体的瓶采样观测实验。

1 温室气体观测

1．1 气瓶采样观测

大气样品采样及实验室集中分析均参照WMO/GAW 推荐的方法进行［3，4］，采样设备包括便携式采样器和Flask硬质玻璃瓶，为保证采样质量，采样时2个Flask瓶串联，用当地空气充分冲洗后加压至1．2～1．5 atm，采样频率为1次/周，采样选择在正午至下午时段采样(此时大气混合层较高，采集的样品和自由对流层接近);采样期间主要避开雨、雾、霾、沙尘等天气，风速需大于2 m/s。CO2浓度用非色散红外吸收方法(NDIR)分析［5］，CH4浓度用气相色谱 - 火焰化离子检测法(GC-FID)分析。从2010年9月开始，卤代温室气体罐采样系统也投入运行。

根据2006年9月—2007年8月期间观测资料，观测期间临安区域本底站大气CO2浓度平均值为387．8×10-6，比同期青海瓦里关全球本底站的平均浓度高了 4．3 × 10-6［6］。如图1［7］，临安区域本底站 CO2浓度2008年平均值达到了393．8×10-6，比2007年增长了5×10-6。而全球 2008年平均浓度为 385．2×10-6，比2007年增长2×10-6。临安区域本底站CH4浓度2008年平均值达到了1892×10-9，比2007年增长21×10-9。而全球2008年平均浓度为1797×10-9，比2007年增长率为7×10-9。由此可见，长江三角洲地区CO2和CH4具有本底浓度高，增长速度快的特征。此外，从图1也可以看出临安区域本底站受到长江三角洲经济圈人类活动的影响，CO2和CH4浓度波动较大。

图1 2006年8月—2009年7月临安区域本底站Flask瓶采样分析的CO2和CH4浓度分布

1．2 在线观测系统

2008年以来，在临安区域本底站开展了多种温室气体及相关微量成分本底值协同观测。目前，CO2/CH4(Picarro)多层在线观测方案优化后已投入运行;N2O/SF6/CO双通道气相色谱(GC-FID/ECD)在线观测系统在设计、调试后投入运行。

1．2．1 CO2/CH4在线观测系统

高精度、高分辨率CO2/CH4在线观测系统已经设计、调试完成，并在2008年底投入运行，CO2和CH4分析精度分别达到了0．1×10-6和2 ×10-9。

该观测系统采用的分析系统型号为Picarro EnviroSense G1301，其主要原理是用被检测化合物的吸收光谱来测量其浓度。该分析系统主要基于光腔衰变光谱(Cavity Ring Down Spectroscopy)专利技术，其核心是透过光极快速地反复穿过气体样品多次，产生一种极大增益的有效光程，使光与样品进行充分相互作用，从而实现采用小巧简易分析仪器系统高精度测量大气中CO2和CH4浓度变化的功能。

2010年 7月，CO2/CO在线观测系统(G1302)开始运行，两套系统的进气口分别在55 m铁塔的53 m和21 m，实现了CO2的多层在线观测。

仪器采集的原始数据，通过质量控制与质量保证(QA/QC)体系获得有效数据，如图2。

图2 数据质量控制与质量保证(QA/QC)体系

1．2．2 N2O/SF6/CO 在线观测系统

2010年底，高精度气相色谱-氢火焰离子化检测器/电子捕获检测器(GC-FID/ECD)双通道气相色谱法大气N2O/SF6/CO在线观测、质控、数据自动化处理系统投入运行，分析精度分别达到0．2 ×10-9，0．1 ×10-12，2 ×10-9，时间分辨率是10 min。

GC-FID仪器用气相色谱分离大气样品的CO/CH4，然后用氢火焰离子化检测器检测浓度。由于Piccaro系统已经获得CH4浓度，GCFID测得的CH4浓度仅作仪器比对用。

GC-ECD用气相色谱分离大气样品的N2O/SF6，然后用电子捕获检测器检测浓度。

2 温室气体研究展望

2．1 温室气体观测、数据集成分析研究

如图3，在临安区域大气本底站设计、研发、集成的温室气体及相关微量成分本底值协同观测-分析系统投入应用，初步形成了与国际接轨的观测-采样-分析-标校-质量控制-数据处理的方法与流程，初步形成了较为完善的标准制备和传递流程。进一步研究将获得长江三角洲地区温室气体本底浓度变化的时空分布特征和变化趋势，然后提交区域级分析评估报告和系列决策服务材料，为决策部门、科研机构和公众提供科技支撑。

图3 临安区域本底站温室气体在线观测系统的研究内容

2．2 碳源汇研究展望

现在有关CO2源与汇的研究主要包括4个方面：(1)利用涡度相关法长期而连续地测量大气和生物圈之间的碳通量;(2)反复测量陆地生态系统和海洋系统中随时间变化的碳总量;(3)在全球大气取样网站进行长期的大气CO2监测;(4)发展动态的生态系统模型去推测过去、现在和将来陆地和海洋中的碳循环。目前全球碳循环研究的重点就在于确定“未知汇”的空间分布、幅度以及影响陆地碳汇的因素对碳汇的贡献［9］。

目前全球碳循环研究已经确定的与人类活动有关的3个主要源是化石燃料燃烧、水泥生产和土地利用变化［10］。我国的研究人员对大陆岩溶发育过程、中国黄土、森林、地球内部等对CO2的贡献做了研究［11］。对中国海CO2源汇的研究初步表明，南海是CO2的主要源区，东海是CO2的主要汇区，珠江河口附近的陆架海域至少在春季发生水华期间表层是大气CO2的汇［12］。

对区域性碳排放的衡量主要基于间接数据，诸如能源组织和各国政府提供的汽油销售记录和能源消耗数据等。2007年，美国国家海洋与大气管理局碳循环温室气体工作组开发了碳追踪模式(CarbonTracker)［13-15］，该系统能够处理来自全世界135个生态系统和11个海底盆地的数据，然后估算海洋、野火，以及诸如燃烧化石燃料等人类活动释放和吸收的碳。这些数据会转化成用不同颜色标识的碳源和碳汇的地图。它也能够区别自然的碳循环和那些由于人类活动导致的碳排放变化。但是该研究结果只是在比较大的空间尺度上可信，例如美国面积的1/5。只有获得更密集的观测数据，该方法才能产生更高的分辨率。

利用临安区域大气本底站CO2浓度变化特征，结合碳追踪模式的模拟结果，研究表明：长江三角洲地区化石燃料燃烧对该地区碳源的贡献较大，生物质燃烧的影响作用较小，生物圈和海洋是该地区重要的碳汇［7］。

3 结语

综上所述，目前对温室气体的现状及其源汇的研究，主要是在比较大空间尺度上的研究，对局部区域的研究比较少。浙江省经济迅速发展，同时临安区域本底站监测数据显示CO2和CH4具有本底浓度高，增长速度快的特征，迫切需要对浙江省温室气体的现状及其源汇进行系统深入的研究。

［1］ International Panel on Climate Change．Climate Change 2007：the Physical Science Basis［M］．Cambridge：Cambridge University Press，2007．

［2］ 王木林，李兴生，程红兵．大气本底监测站的CH4，CO2和CO浓度的初步分析［C］//李兴生．我国大陆和西太平洋地区大气痕量气体及其他化学物质的监测和研究．北京：气象出版社，1996：172-185．

［3］ Tans P P，Thoning K W，Elliott W P，et al．Background atmospheric CO2patterns from weekly flask samples at Barrow，Alaska：optimal signal recovery and error estimates．In：NOAA Tech．Memo(ERL ARL-173)．Boulder：Environmental Research Laboratories，1989．131．

［4］ Komhyr W D，Waterman L S，Taylor W R．Semi automatic Nondispersive Infrared Analyzer Apparatus for CO2Air Sample Analyses［J］．J Geophys Res，1983，88：1315-1322．

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［6］ 刘立新，周凌晞，张晓春，等．我国4个国家级本底站大气CO2浓度变化特征［J］．中国科学D辑：地球科学，2009，39(2)：222-228．

［7］ 浦静姣，徐宏辉，康丽莉，等．临安区域大气本底站CO2浓度特征及其碳源汇变化研究．环境科学，2011，32(08)：2221-2225．

［8］ 世界气象组织．2008年温室气体公报．［EB/OL］．［2009-11-23］．http：//www．wmo．int/pages/prog/arep/gaw/ghg/GHGbulletin．html．

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