庞泉沟国家大气背景站CO2变化特征分析

O 周建强马一方杜丽（.山西省环境监测中心站 山西 03004 .中国环境监测总站 北京 000）

庞泉沟国家大气背景站CO2变化特征分析

O 周建强1马一方1杜丽2
（1.山西省环境监测中心站 山西 030024 2.中国环境监测总站 北京 100012）

根据山西庞泉沟国家大气背景站2014年的监测数据，分析了庞泉沟背景站CO2全年的浓度变化规律，并初步给出了不同季节及全年的日变化时间段内CO2的浓度变化范围和对比情况。结果表明：CO2浓度在全年呈现明显的春夏季低，秋冬季高的变化规律；由于站点选在山脚下，受植被呼吸作用的影响较大，全年均有较为明显的日浓度变化，夏季由于光合作用显著，日浓度变化最为明显，相反，冬季的日浓度变化最弱。

庞泉沟；国家大气背景站；CO2；变化；特征分析

1.引言

为反映我国区域大尺度的环境空气质量状况，了解我国空气质量的背景状况，并掌握我国环境空气污染物的区域输送情况，需要在我国设置一定数量的环境空气背景监测站，以填补国家背景地区的环境监测空白。2009年，中国环境监测总站向国家环保部递交了国家空气环境背景监测站运行项目可行性报告，并最终确定了全国范围内的14个背景站的建站地点，山西省庞泉沟国家大气背景站是14个背景站中代表华北地区空气质量背景值的监测站点。

CO2气体是人类活动向大气排放的主要温室气体之一，它在自然条件下无法像水汽一样发生相变进而自发调节在大气中的含量．随着人口的迅速膨胀，土地的过度开发利用，固碳系统的破坏，有的自然界碳循环体系平衡被打破。自1958年开始的CO2系统红外观测研究表明，二氧化碳浓度总体呈上升趋势（刘晓曼等，2015）。二氧化碳等温室气体的逐年上升加剧了我国近年来的温室效应，而温室效应也很可能是引起近几年极端天气的重要原因。在这样的前提下，2013年，国家总站在背景站二期项目建设中为庞泉沟背景站增加了CO2等温室气体的监测项目，以反映背景区域的温室气体变化情况。本文根据2014年的监测数据，对庞泉沟背景站CO2全年的浓度变化规律，以及不同季节及全年的日变化时间段内CO2的浓度变化情况进行了系统分析。

2.研究区域及研究方法

(1)研究区域概述

庞泉沟国家环境空气背景自动监测站位于山西省吕梁市交城县庞泉沟国家级自然保护区内的八道沟五花草甸，位于东经111°28’，北纬37°50’，海拔1807米。站点所在区域内人口密度低，具备完整的自然生态，同时远离城市与工业带的清洁地区。自然保护区总面积105平方公里，森林覆盖率达74%，属温带大陆性气候，一般夏冬两季温差大，降雨量相对较小，年均降雨量为800mm，但是小环境丰富，立体气候明显。区内年平均气温为3-4度，相对湿度为60%左右。

(2)研究方法概述

站点采用美国 Picarro G2301分析仪，可24小时连续监测空气中的CO2浓度，仪器采用波长扫描光腔衰荡光谱技术（WS-CRDS），当样气进入吸收室后，特定波长的红外光会在吸收室中的特制反射镜间循环照射，若吸收室中存在CO2气体，则会对红外光产生吸收作用，通过测定红外光随时间的衰减程度大小，间接的测量样气中的CO2浓度。分析仪的最小测量间隔为5秒，背景站根据实际需要采集仪器5分钟均值作为原始数据进行统计分析；分析仪的测量量程为0-1000ppm，测量精度为70ppb/5秒或25ppb/5分钟平均，24小时漂移量为120ppb，月漂移量为500ppb。

为确保分析仪监测数据的准确可靠，根据仪器厂家技术要求及以往监测经验，制订了严格地质控措施：①标准物质选择，使用国家计量研究院生产的一级混合标气及氮气对仪器进行校准，并及时更换即将过期的标气；②校准措施,每周对仪器进行零点、跨度校准，确保斜率、截距在正确的范围内；③监管措施：每天由专人负责监视监测数据，发现异常，立即进行检查；④数据审核，数采仪会自动对校准数据进行校准标示，在进行数据统计时可直接剔除，另外根据监测经验，背景站的CO2小时平均监测数据在350ppm-470ppm之间，当监测数据实时值大于500ppm或小于300ppm时，则应追溯当时的环境摄影情况，分析具体原因，决定是否剔除过大数据。

3.研究内容和研究结果

(1)全年浓度变化

图1 2014年CO2日均浓度随温度变化序列

图1为2014年背景站CO2浓度与对应温度的日平均变化时间序列，CO2全年的平均浓度为407．5ppm，站点的全年平均环境温度为6．3℃。从图中可以明显看出CO2浓度与温度呈反相关，春夏季浓度总体低于秋冬季。与城市相同，对流旺盛降水增多的夏季，平均气温最高，植被光合作用旺盛，固碳作用明显，CO2浓度出现全年谷值；而与城市浓度峰值出现在冬季不同的是，全年浓度的峰值出现在深秋到初冬时期，到了深冬浓度反而有所下降，这主要是由于背景站地处自然保护区，深秋季节植被大量凋零，呼吸作用极度减弱，CO2浓度出现释放峰值，而冬季温度下降，掉落植物的CO2释放减缓，浓度反而有所下降。2月份出现的浓度增高现象可能与当地农村过年期间放炮及烧柴做饭有关，而7月份出现的浓度增高现象可能与近几年当地旅游产业带来的大量汽车尾气排放有关。

(2)日24小时年均变化情况

图2 2014年CO2日24小时年均变化情况

图2为庞泉沟背景站2014年CO2日24小时年均变化情况变化趋势图，从图中可以看出，背景站CO2每日的24小时浓度变化基本呈现早晚浓度高，日间浓度低的现象，这主要是白天植被光合作用强烈，对CO2的吸收作用大于夜间所致。

(3)日24小时季度平均变化情况

图3 2014年CO2日24小时季度平均变化情况

图3为2014年CO2日24小时季度平均变化情况趋势图，由于庞泉沟地处自然保护区，海拔较高，冬季时间长，夏季时间短，因此在季节划分上，选取3、4、5月为春季，6、7、8月为夏季，9、10月为秋季，11、12、1、2月为冬季，对每个季度的日24小时浓度取平均后得出图3。

从图3可以看出CO2的日24小时浓度变化存在明显的季节差异。夏季和秋季存在明显的昼夜浓度变化，这主要与植被的日间光合作用、夜间的和呼吸作用交替进行有很大关系，而夏季光合作用强烈，因此，夏季的CO2昼夜浓度变化最为明显；而春季与冬季由于气温低，植被掉落，光合作用与呼吸作用均很少，所以昼夜浓度变化很小，特别在冬季，CO2浓度基本稳定维持在412ppm左右。

从浓度平均水平来看，秋季由于植被树叶大量掉落，呼吸作用远大于光合作用，贡献了更多的CO2，平均浓度在4个季节中最高；春季与冬季植被对CO2浓度变化的影响基本为零，而冬季的平均浓度明显高于春季，这主要是由于北方冬季为采暖季，燃煤对CO2浓度的贡献明显大于春季，夏季由于光合作用强烈，CO2日平均浓度最低。

此外，背景站CO2冬季日24小时浓度均值的高度稳定性也反映出庞泉沟背景站受城市采暖及人类生活的影响极小，而冬季和春季的浓度值在一定程度上也最能真实的反映华北大区域范围内在对应季节内CO2浓度的本底值。

4.结论

CO2是自然大气中重要的温室气体，也是人类生产生活活动向大气排放的主要气体之一。它在大气中含量的增加将显著影响全球气候的变化以及人类的生存环境。大气中CO2的浓度反映了人类对化石燃料的消费程度，同时也间接评估本地植被光合作用的强度。

庞泉沟国家大气背景站地处山西庞泉沟自然保护区，能在一定程度上反映华北地区大区域的环境空气本底质量情况。研究表明，2014年该地区的CO2浓度在全年呈现明显的春夏季低，秋冬季高的变化规律，与温度呈明显的反相关；全年浓度的峰值出现在深秋到初冬时期，这主要是由于深秋季节植被大量凋零，CO2浓度出现释放峰值所致。

全年的CO2浓度有较为明显的日24小时浓度变化，整体呈现日间浓度低，夜间浓度高的现象，主要与植被的光合作用及呼吸作用在昼夜交替进行有关。夏季的日浓度变化最为明显，相反，冬季的日浓度变化最弱。

背景站CO2冬季日24小时浓度均值的高度稳定性也反映出庞泉沟背景站受城市采暖及人类生活的影响极小，而冬季和春季的浓度值在一定程度上也最能真实的反映华北大区域范围内在对应季节内CO2浓度的本底值。

[1]丁海燕,郑祚芳,刘伟东.北京1951—2008年升温趋势和季节变化.气候变化研究进展,2010.6(3):187-191.

[2]刘晓曼,程雪玲,胡非.北京城区CO2浓度和通量的梯度变化特征—I浓度与虚温.地球物理学报,2015.58(5):1502-1512,doi:10.6038／cjg20150504.

[3]贾庆宇,周广胜,王宇等.城市复杂下垫面供暖前后CO2通量特征分析.环境科学,2010.31(4):843-849.

CO2Changes Characteristics Analysis of Pangquangou in National Atmospheric Background Station

Zhou Jianqiang1, Ma Yifang1, Du Li2
(1 Environmental Monitoring Center in Shanxi Province, Shanxi, 030024 2 China National Environmental Monitoring Centre, Beijing, 100012)

According to the monitoring data of Shanxi Panglongquan national atmospheric background station in 2014, this paper takes analysis of the whole year’s CO2concentration changes rules in Pangquangou background station, besides, it preliminarily show the CO2concentration changes range and comparison situation in different seasons and daily period of time in the whole year. The result shows the change rule of CO2concentration in the whole year has the characteristics of low degree in spring and summar, high degree in autum and winter. Because the station is located on the foot of the hill, it is deeply infl uenced by vegetation respiratory action and in the whole year, there are bovious daily concentration changes, besides, due to the strong photosynthesis in summar, the daily concentration change is the most biggest, adversely, the change in winter is the most weakest.

Pangquangou；national atmospheric background station；CO2；changes；characteristics analysis

X

A

周建强（1983～），男，山西省环境监测中心站，研究方向：环境空气自动监测仪器的运维和管理工作。