海螺溝大氣背景站CO2濃度特征分析

廖乾邑，陳建文，李 翔，王洪波

(1，四川省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站，成都 610073；2，成都市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站，成都 610000； 3.四川省涼山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站，四川 涼山州 615000)

前 言

二氧化碳(CO2)是大氣對流層中濃度較大，壽命較長的重要溫室性氣體[1]，因其大氣濃度持續(xù)增長可能引起的地球大氣層“增溫”和生態(tài)效應，成為當今世界倍受關注的重大環(huán)境問題[1～4]。過去70年來大氣二氧化碳(CO2)的增長率幾乎是末次冰期結束時的100倍。根據(jù)直接和代用觀測資料所示，大氣CO2水平的這種突變前所未見，二氧化碳作為大氣中一種最重要的人為溫室氣體，貢獻了約65%的長壽命溫室氣體輻射強迫。我國對人口眾多的城市、分布較廣鄉(xiāng)村部分區(qū)域、甚至遠至南極開展對大氣CO2的連續(xù)觀測。賈小芳等利用世界溫室氣體數(shù)據(jù)中心(WDCGG)數(shù)據(jù)資料和WMO資料，對中國大陸及周邊國家和地區(qū)的主要溫室氣體CO2濃度等進行了分析，得出中國大陸瓦里關全球大氣本底站與中國香港、日本、俄羅斯、韓國等周邊國家和地區(qū)CO2濃度水平相近[5]。王長科對北京1993～1995年城市大氣CO2濃度變化特征及影響因素進行了分析[6]。劉立新等對我國長三角和京津冀城市群2007～2013年大氣溫室氣體特征對比分析[7]。背景區(qū)域二氧化碳濃度水平的掌握和研究成果目前主要集中在中國氣象局青海瓦里關、北京上甸子、浙江臨安和黑龍江龍鳳山4個國家級大氣本底站，難以代表、反映我國其他區(qū)域CO2的濃度水平和特征。為此，中國國家環(huán)境保護部于2015年在我國建立了17個溫室氣體連續(xù)觀測系統(tǒng)背景站，以彌補不足。其中一套CO2監(jiān)測系統(tǒng)為位于青藏高原高寒森林生態(tài)保護區(qū)的海螺溝國家大氣背景站。青藏高原由于其獨特的地理位置以及生態(tài)環(huán)境，其植被生態(tài)系統(tǒng)的固碳釋氧能力與全球氣候變化及高海拔地區(qū)人類的生存和健康密切相關。研究典型青藏高原典型高寒森林區(qū)域大氣溫室氣體的變化有助于有效應對氣候變化，減緩全球變暖和減少極端氣候事件。本文對大氣海螺溝背景站CO2的背景水平、變化特征及其影響因素進行了初步分析。

1 材料與方法

1.1 采樣站位及采樣時間

海螺溝國家大氣背景站(東經(jīng)101°58′13″，北緯29°32′59″，海拔高度3 700m) 位于青藏高原東緣的高山地海螺溝國家自然保護區(qū)境內，貢嘎山東坡。背景站周邊開闊，遠離工業(yè)污染，方圓十公里無人為污染源。海螺溝景區(qū)植被豐富，背景站周邊為山地暖溫帶針葉闊葉混交林帶，CO2大氣采樣口位于站房頂部，距地面約8m。該站觀測結果反映青藏高原典型高寒森林地區(qū)的大氣CO2水平。

1.2 測定方法

海螺溝背景站CO2濃度由美國Picarro公司生產(chǎn)的G2301型CO2分析儀測量，儀器采用波長掃描光腔衰蕩光譜技術(WS-CRDS)，當樣氣進入吸收室后，特定波長的紅外光會在吸收室中的特制反射鏡間循環(huán)照射，若吸收室中存在CO2氣體，則會對紅外光產(chǎn)生吸收作用，通過測定紅外光隨時間的衰減程度大小，間接的測量樣氣中的CO2濃度。分析儀的最小測量間隔為5s，背景站根據(jù)實際需要采集儀器5min均值作為原始數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結果與討論

2.1 背景站CO2整體濃度水平

海螺溝站地處青藏高原邊緣，遠離人為污染源，基本未受局地污染或中短距離傳輸影響[9]。海螺溝站2016、2017年CO2年均濃度分別為403.6 ppm、405.7ppm(見表1，表2)，小時濃度值范圍在362.5～438.3 ppm，圖1背景站CO2小時濃度均值分布顯示，海螺溝CO2小時體積濃度均值對數(shù)后的頻數(shù)分布圖顯示為典型正態(tài)分布特征，最大出現(xiàn)頻數(shù)濃度為401～410 ppm，反映了該區(qū)域最具代表性大氣狀態(tài)下CO2小時濃度；CO2小時體積濃度50%百分位與平均值基本相當，略低0.8ppm，表明CO2小時濃度數(shù)據(jù)濃度分布均勻。CO2最大濃度和最小濃度相差75.8ppm，而90百分位濃度為416.3 ppm，較最大值438.3 ppm，低22 ppm，表明CO2小時濃度主要分布在低濃度區(qū)域，數(shù)據(jù)濃度中高濃度占比較低，背景區(qū)域受到局地高濃度污染或者極端氣候造成的高濃度污染概率小。海螺溝站CO2從各個百分位數(shù)濃度來看(見表2)，CO2小時濃度值主要分布在第30百分數(shù)至70百分數(shù)之間。從濃度增長看，2017年相比2016年增長2.1ppm，增長量與文獻報道的我國過去10年的年平均絕對增量2.24ppm相當；全球2017、2016年 CO2增量2.2ppm，海螺溝站增量低0.1ppm，増長率同比全球低5%。表明，總體來說區(qū)域尺度CO2排放呈增強態(tài)勢，但海螺溝站CO2濃度增長較全球更緩慢。從空間上來看，海螺溝背景站CO2年均濃度較青藏高原東側的瓦里關背景站約低1ppm，同北半球中緯度地區(qū)平均濃度和全球本底站濃度水平大體相當；海螺溝背景站的CO2年均濃度遠低于成都市溫室氣體站監(jiān)測濃度，同比成都市2016年CO2低35.6ppm(8.8%)，說明海螺溝背景站大氣基本未受周邊局地影響，能夠代表背景區(qū)域CO2濃度水平。

表1 2016～2017年海螺溝背景站CO2濃度水平分布統(tǒng)計結果Tab.1 Statistical results of CO2 concentration level distribution of Hailuogou in 2016～2017 (ppm)

表2 海螺溝、瓦里關、成都市、全球CO2濃度水平Tab.2 CO2 concentration levels of Hailuogou,Waliguan, Chengdu and Global observatories (ppm)

圖1 背景站CO2小時體積濃度均值分布Fig.1 Mean value distribution of CO2 hourly volume concentration at background station

2.2 不同季節(jié)CO2濃度日變化特征

海螺溝背景站CO2不同季節(jié)日變化見圖2?？傮w來看，除夏季外，其他季節(jié)日變化不明顯。使用北半球的四季定義法，3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季，12月、1、2月為冬季。CO2日振幅春、夏、秋、冬四個季節(jié)分別為3.411ppm、15.876 ppm、11.200ppm、2.102ppm。按月份統(tǒng)計，僅7、8、9月份CO2小時濃度值表現(xiàn)出明顯的日變化特征，晚間18∶ 00時后大氣CO2小時濃度逐漸累積升高，在凌晨4∶ 00～7∶ 00出現(xiàn)峰值405ppm，此后CO2小時濃度逐漸降低，在16∶ 00～18∶ 00達到最低值387.1 ppm。一是夏末秋初海螺溝高原區(qū)域太陽輻射強，日間大氣垂直對流作用旺盛，大氣擴散能力強。二是7、8、9月是高原高寒灌木生態(tài)系統(tǒng)植被的生長期，白天地表植被能夠利用光合作用強烈地吸收CO2，夜間通過呼吸作用釋放大量CO2，因此7、8、9月CO2日變幅較大，分別高達23.7、21.1、16.1 ppm。

圖2 2016～2017年海螺溝背景站CO2日時刻濃度變化圖Fig.2 Diurnal variations of atmospheric CO2 hourly concentration in spring，summer，autumn and winter

海螺溝夏季CO2日振幅變化結果明顯低于龍鳳山區(qū)域大氣本底站[12](夏季日振幅50.2ppm，2009年)，略低于代表青海高寒草甸特征的門源國家背景站(夏季日振幅28.9ppm，12～13年)，但 高于青海瓦里關全球大氣本底站(僅7月出現(xiàn)日 振幅6ppm，2009年)[13]，龍鳳山區(qū)域大氣本底站海拔較低，周邊植被(農作物、森林等) 茂盛以及周邊排放的影響較大，而青海門源夏季高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)生長旺盛期，海螺溝背景站屬于典型的青藏高原高山站點，站點周邊植物相對較豐富，但周邊是原始森林和大面積的冰川為主，因此植被的影響程度稍微弱點；瓦里關CO2日振幅變化最小，瓦里關背景站站地處植被稀少的半干旱荒漠本底地區(qū)，受植物光合作用和呼吸作用影響更小。與夏季不同，冬季高寒植被受低溫和大雪覆蓋光合作用非常弱，植物呼吸作用減弱，因此海螺溝冬季 CO2日變幅最小，僅為2ppm。

2.3 大氣CO2的背景濃度

大氣本底觀測反映的是大氣混合均勻狀態(tài)下，不受區(qū)域或局地污染源影響時所觀測的氣體的濃度值，可反映其長期變化趨勢和季節(jié)變化特征。但是背景站偶爾受到局地源排放的影響也是不可避免的[14]，這時觀測的結果不能很好地代表本底大氣的狀況。因此本文對長時間序列的資料進行本底值的篩分，通過采用非線性二次疊加諧波變換擬合，將遠離擬合曲線(殘差較大值) 的觀測值過濾掉，反復逼近回歸，保留的值即區(qū)分為具本底特征的值，而過濾掉的值為非本底值[15-16]。

用上述方法篩分的CO2本底數(shù)據(jù)百分比約占原始有效數(shù)據(jù)的52%；36%的數(shù)據(jù)為源排放濃度值(受區(qū)域或局地排放源的影響)，約12%的資料代表了CO2吸收濃度值(主要受區(qū)域吸收匯的影響)， CO2觀測數(shù)據(jù)的本底值篩分結果如圖3、圖4所示，黑色和灰色點分別表示篩分后的本底和非本底數(shù)據(jù)。由圖3可知，2016、2017年海螺溝背景站CO2年均背景濃度分別為402.3 ppm、404.9 ppm，同比增長2.6ppm，上升0.6%。CO2體積分數(shù)背景濃度在春、夏、秋、冬四季均值分別為406.6 ppm、390.5 ppm 、400.7 ppm、407.3 ppm，背景濃度呈季節(jié)性變化，冬季>春季>秋季>夏季。CO2季節(jié)背景濃度變化不大，極差率分別為4%；2016、2017年的月均濃度呈春冬略高、夏秋略低特征，海螺溝站CO2低值均出現(xiàn)在7～8月份，這主要是由北半球陸地植物生態(tài)系統(tǒng)在夏季與大氣之間交換的差異所造成，海螺溝站CO2高值出現(xiàn)在4～5月，與瓦里關和MaunaLoa等清潔本底區(qū)域最高值出現(xiàn)基本一致[17]。北半球大氣CO2明顯的季節(jié)變化與CO2在大氣和地球生物圈間的交換密切關聯(lián)[18]。海螺溝背景站站點監(jiān)測濃度更多反映了較大尺度混合均勻的自由對流層大氣的季節(jié)變化，季節(jié)濃度變化主要受大氣環(huán)流的影響；從春季到夏季，由于高原強大的地表感熱逐漸增加，髙原上空的氣流上升運動也逐漸加強，氣團易在高層向四周輻散開來，利好的擴散環(huán)境使地表CO2濃度降低；秋季到冬季，高原地表冷卻，形成冷高壓，東亞夏季風撤退，東風氣流消失，又受到地面反氣旋西側氣流的影響，冬季整體擴散條件較差，CO2濃度相對較高。

圖3 2016、2017年海螺溝背景站CO2月均濃度變化Fig.3 Changes of Momthly CO2 concentration in Hailuogou Background Station in 2016 and 2017

圖4 2016、2017年海螺溝大氣CO2時間序列Fig.4 Time series of CO2 concentrations measured at Hailuogou during 2016～2017

2.4 地面風對觀測結果的影響

結合水平風向與CO2的統(tǒng)計資料分析不同來向氣團CO2的變化特征。利用觀測期間地面風向資料和不同季節(jié)各風向的CO2平均值，得到海螺 溝站不同季節(jié)CO2-風玫瑰圖。由圖5可見，夏 季、秋季大氣CO2濃度整體較低，但是各扇區(qū)之間CO2濃度差異較大，在夏季，西南西和西北扇區(qū)CO2濃度明顯高于其他扇區(qū)；在秋季，東北和西北扇區(qū)CO2濃度明顯高于其他扇區(qū)。夏秋季節(jié)，由于高原強大的地表感熱逐漸增加，髙原上空的上升運動也逐漸加強，氣團最終在高層向四周輻散開來，因此總體濃度低，青藏高原周邊兩個主要污染源區(qū)是南亞次大陸和中國[18]，在南亞夏季風盛行的夏季，南亞出發(fā)的污染氣團可以繼續(xù)深入青藏高原東南部及東部，而且也能翻越喜馬拉雅山后抵達青藏髙原南部腹地，此外，中國中部出發(fā)的氣團也在東亞夏季風向北擴展中驅動它從東向西，爬坡抬升進入青藏高原東北部。冬季、春季大氣CO2濃度整體較高，各扇區(qū)之間差異較小，主要原因可能是隨著南亞夏季風的撤退，地面南亞氣團難以進入青藏高原，而東亞冬季風在東亞大陸向南推移，青藏高原東南部出現(xiàn)大陸近地面反氣旋性冷高壓，高原東側主要是大規(guī)模的下沉氣流，污染物不易擴散，總體濃度水平較高。

圖5 不同季節(jié)CO2-風玫瑰圖Fig.5 Different wind direction-CO2 concentration in different seasons

海螺溝背景站四季節(jié)16個風向CO2載荷貢獻(載荷貢獻為每個風向的頻率乘以該風向上所有 CO2距平值的總和)如圖6所示。 由圖5可知，夏季和秋季類似，總體上，S-SS-SW 風向對CO2的貢獻為正，說明該方向為正輸送，而N-NNE-NE 風向的貢獻為負，表明該方向為負輸送，從北方過來的中亞源頭大氣污染濃度相對低，并且在長距離輸送到達后，一是可以提供背景站區(qū)域的大氣垂直擴散動力，二是相對稀釋背景區(qū)域CO2濃度。與其他季節(jié)相比，冬季各風向的CO2載荷不同，其中SSW風向對CO2的貢獻為負，冬季反氣旋性冷高壓不利于擴散，西南方向氣流進入打破反氣旋的狀態(tài)，污染得到擴散，CO2濃度降低，盡管SSW風向對CO2的貢獻為負，該方向CO2濃度(408ppm)仍然遠高于秋(396 ppm)、夏(404 ppm)濃度水平。

圖6 不同季節(jié)風向對CO2 的貢獻Fig.6 Contribution of wind direction to CO2 concentration in different seasons

3 結 論

海螺溝國家大氣背景站地處青藏高原腹地，遠離工業(yè)城市區(qū)域，反映了青藏高原高寒森林地區(qū)的CO2的背景濃度水平。

3.1 海螺溝背景站2016、2017年CO2年均濃度分別為403.6 ppm、405.7ppm，與北半球中緯度地區(qū)平均濃度和全球本底站濃度水平大體相當；年增長量與文獻報道的我國過去10年的年平均絕對增量相當；比成都市2016年溫室氣體站CO2低35.6ppm，說明海螺溝背景站大氣基本未受周邊局地影響，能夠代表背景區(qū)域CO2濃度水平。

3.2 CO2日振幅濃度，夏>秋>春>冬，夏秋季日振幅較大，主要受大氣垂直對流作用和地表植被光合作用共同影響。日振幅濃度異于青海瓦里關、北京上甸子、浙江臨安和黑龍江龍鳳山4個國家級大氣本底站，主要與青藏高原高寒灌木生態(tài)系統(tǒng)植被、地理位置有關。

3.3 采用本底值篩分，海螺溝CO2背景濃度呈季節(jié)性變化，冬季>春季>秋季>夏季，背景濃度更多反映了較大尺度混合均勻的自由對流層大氣的季節(jié)變化，季節(jié)濃度變化主要受大氣環(huán)流的影響；從夏季到秋季，由于高原強大的地表感熱逐漸增加，髙原上空的氣流上升運動也逐漸加強，氣團易在高層向四周輻散開來，CO2背景濃度低；冬季春季到冬季，高原冷高壓同時又受到地面反氣旋西側氣流的影響，擴散條件較差，CO2濃度相對較高。

3.4 夏季，西南西和西北扇區(qū)CO2濃度明顯高于其他扇區(qū)；秋季，東北和西北扇區(qū)CO2濃度明顯高于其他扇區(qū)；總體上，夏季和秋季S-SS-SW風向對CO2的貢獻為正，而N-NNE-NE 風向的貢獻為負，但在冬季SSW風向對CO2的貢獻為負。

3.5 首次對代表青藏高原高寒森林地帶的CO2近年來背景濃度水平和特征得出了初步結論，以期為今后進一步研究城市、區(qū)域的溫室氣體分析以及提供有用的參照資料，對有效應對氣候變化，減緩全球變暖和減少極端氣候事件提供基礎資料。