北京城区大气ch

北京城区大气ch

当ch4的温度比b2低时，它是一种非常重要的温室气体。同时,CH4又是化学活性气体,在大气中易被氧化而产生一系列HxOy和碳氢氧化物,它们在许多大气成分的化学转化中扮演重要角色。CH4来自各种微生物厌氧过程及燃烧和能源开采过程,采矿、运输、化石燃料和生物的燃烧等非生物来源约占全球CH4排放量的30%,生物来源占70%。据估计,大气CH4源的总量每年为520Tg,大约每年排放量的90%(470Tg)通过对流层·OH引起的光化学反应被氧化,而另一小部分(大约每年30Tg)通过土壤中微生物的氧化作用被消耗。许多国家和观测站开展了大气CH4的观测工作:早在1983年美国夏威夷MaunaLoa站就开始了大气CH4测量;1985—1987年,中科院大气物理所在我国西北甘肃民勤人为干扰极少的荒漠地区开始了大气采样和分析工作,首次获取了我国清洁内陆背景大气中CH4的体积混合比数据及变化趋势;1991年6月国内外科研人员在瓦里关山开始了对大气CH4浓度变化的规范化监测。但对于城市大气中CH4浓度的监测研究却较少。为了研究人类活动对大气CH4的影响,中科院大气物理所自1985年8月就开始了对北京大气CH4浓度的长期定位监测,笔者在此将1985年以来所得数据与瓦里关山站和MaunaLoa站同期数据进行对比,以期说明北京城市大气CH4浓度变化的特点。1ch4浓度的测定方法空气样品采自中国科学院大气物理研究所北京325m气象塔(39°58′27″N,116°22′20″E)32m高处。在采样泵的作用下,经采集罩过滤后的空气通过输气管路(外径6.3mm,内径4mm的聚四氟乙烯管,对CH4无吸附作用)直达分析实验室内。从1985年7月开始,每周采样1次,每次同时采集2个重复样品,采样泵将空气样品压入0.8L内表面电镀抛光的不锈钢瓶,采样在北京时间14:00进行。自1999年8月起至今,同时利用自行研制的温室气体连续监测系统每间隔3min自动取样分析一次,24h连续运转。实验用装有氢火焰离子检测器(FID)的HP5890型气相色谱仪来分析空气样品中CH4的浓度。色谱柱为内填80/100目PorapakQ的不锈钢填充柱,长2m,内径2mm。柱箱温度55℃,阀进样,检测器FID温度200℃,燃烧气为H2,流量30mL/min,助燃气为空气,流量为350mL/min,载气为N2,流量为30mL/min。样品中CH4浓度的定量采用外标曲线法。标准气体分别来自中国国家标准物质中心和美国国家标准局(NIST)。以每小时所采20个样品中CH4浓度的平均值作为该时间段的CH4浓度值,并以此讨论日变化。以每周同时采集的2个空气样品中CH4浓度平均值代表该周大气CH4平均浓度,并根据周浓度计算月平均浓度,年平均浓度是该年12个月浓度的平均值。夏威夷MaunaLoa站(19°32′N,155°35′W)和瓦里关中国大气本底基准观象台(36°17′N,100°54′E,以下简称瓦里关山站)的CH4周样数据均来自世界温室气体数据中心(WDCGG)。2结果与讨论2.1大气ch4浓度2000年北京大气CH4浓度(以摩尔分数计,全文同)日变化总的特点是白天浓度低,夜间浓度高(图1)。春季和夏季CH4浓度在清晨达到最高,日出后迅速下降,午后(13:00—17:00)达到最低值后接着上升。冬季和秋季最低值也出现在午后,但最高值一般出现在午夜前后,清晨出现次高值。大气CH4浓度主要受大气边界层状况影响:午后大气边界层对流强烈,所以CH4浓度达到全天最低;夜间大气边界层稳定,局地地表源排放的CH4在低层大气中积累导致CH4浓度较高。不同季节大气CH4浓度日变化幅度也存在差异:春季、夏季、秋季和冬季CH4摩尔分数的变化幅度分别为284.3,467.1,410.5和283.5nmol/mol。从图1可以看出,4个季节中,特别是夏季、秋季和冬季日变化的最低值比较接近,日变化幅度不同的原因主要是最高值相差较大。由于CH4浓度变幅大时CH4源强度也大,同时一昼夜中CH4浓度的上升主要是本地源排放的结果,所以北京城区大气CH4浓度夏季和秋季日变化幅度比冬季和春季大,说明夏、秋季北京城区CH4排放速率比冬、春季高。2.2北京冬季大气ch4的季节变化格局北京城区大气CH4年内月平均摩尔分数变化幅度为205.1~387.8nmol/mol,平均值为286.9nmol/mol。瓦里关山大气CH4年内月平均摩尔分数变化幅度为15.2~27.6nmol/mol,平均值是23.5nmol/mol。说明北京大气CH4浓度的季节性周期变化比瓦里关山明显,季节变化幅度比本底区域高一个数量级。为了消除年际波动的影响,笔者计算出1991—2000年北京城区和全球大陆大气本底站瓦里关山站2个监测点同一月份的大气CH4浓度多年平均值,结果见图2。从图2可以看出,在季节变化形式方面,就平均值而言,北京城区一年中月平均浓度呈现2个峰值,最高值多出现在8月份或7月份(夏季),次最高值则出现在1—3月份和11,12月份(冬季)。相应的在4—5月份和10月份各出现一个最低值。瓦里关山站高值在9月份或8月份,低值的出现时间规律性不强,但11,12,1月份的浓度在一年中常常比较低。在除冬季(1月份和11,12月份)以外的其他季节里,北京城区大气CH4的变化趋势与瓦里关山站相同(相关系数R=0.93,n=9,P<0.01)。在自然条件下,冬季由于温度低等原因,生物活动微弱,从而排放到大气中的CH4比其他季节少。这可能是受人为活动影响很小的瓦里关山冬季大气CH4浓度全年最低的原因。冬季北京市与瓦里关山的最大区别是北京市人为取暖消耗大量化石燃料。观测结果显示,北京冬季大气CH4浓度比春季和秋季高得多而不是全年最低值(图2)。因此,可以推断北京冬季大气CH4主要来源于化石燃料燃烧等非自然源。Moriizumi等在日本名古屋市(39°10′N,136°55′W)城区对大气CH4中碳同位素的分析也得出相似的结论,发现1993年11—12月来自化石燃料的CH4占城区局地性甲烷的(102±8)%,认为秋末和冬季名古屋市城区释放的CH4绝大部分来自化石燃料。2.3北京市大气ch4年际变化特征1985—2000年,北京城区大气CH4摩尔分数平均值为(1883.4±73.0)nmol/mol,比同期夏威夷MaunaLoa站观测值高(164.8±36.6)nmol/mol;1991—2000年,北京城区大气CH4摩尔分数平均值比瓦里关山站高(146.5±15.4)nmol/mol。瓦里关山站大气CH4浓度是中国大气CH4本底浓度。以上数据说明,北京城区大气CH4浓度比基本上未受人类活动影响的本底区域高,北京城区是中国大陆大气CH4排放源。1985—2000年北京城区大气CH4浓度年际波动较大,但总体呈上升趋势(图3)。根据线性回归方程C=14.49(t-1985)+1860.30(R=0.89,n=16,P<0.01。式中,C为大气CH4摩尔分数;t为年代。下同),可以得出年平均增长量为14.49nmol/mol,年平均增长率为0.82%,分别是MaunaLoa站的1.95和1.84倍。夏威夷MaunaLoa站同期监测到的相应值分别是7.43nmol/mol和0.45%(线性回归方程为C=7.43(t-1985)+1662.90,R=0.98,n=16,P<0.01)。1991—2000年,北京城区大气CH4摩尔分数平均年增长量为9.27nmol/mol,平均年增长率为0.49%(线性回归方程为C=9.27(t-1991)+1886.72,R=0.92,n=10,P<0.01),分别是瓦里关山站的1.96和1.69倍。瓦里关山站同期监测到的相应值分别是4.99nmol/mol和0.29%(线性回归方程为C=4.99(t-1991)+1729.56,R=0.97,n=10,P<0.01)。总的来说,近十几年来北京城区大气CH4浓度上升速率大大超过MaunaLoa站和瓦里关山站等全球本底区域,但1990年以后增长速率有所降低。3大气ch4的季节变化a.北京城区大气CH4浓度日变化总的特征是白天浓度低,夜间浓度高,并有明显的季节差异。b.北京城区大气CH4