不同氣象條件下大氣CO2濃度變化特征研究

關(guān)鍵詞：氣象條件；大氣環(huán)境；濃度變化；CO₂；聚類(lèi)分析

中圖分類(lèi)號(hào)：X831 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

CO₂是導(dǎo)致全球變暖的主要?dú)怏w之一，并且隨著城市化建設(shè)的加深和大量能源燃料的使用，加快了CO₂的增長(zhǎng)，大氣污染問(wèn)題日益凸出，與過(guò)去幾十年相比，全球大氣中主要溫室氣體濃度呈現(xiàn)出倍速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，改善大氣環(huán)境迫在眉睫。對(duì)于此類(lèi)問(wèn)題，為了準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)溫室氣體的變化情況，對(duì)大氣CO₂濃度的變化規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測(cè)是必不可少的手段，通過(guò)多元監(jiān)測(cè)手段，監(jiān)測(cè)大氣CO₂，了解大氣CO₂濃度的主要影響因素和變化規(guī)律，對(duì)預(yù)測(cè)未來(lái)天氣和降低氣候帶來(lái)的不利影響有重要價(jià)值。

在目前的研究中，主要利用對(duì)CO₂濃度的監(jiān)測(cè)，分析大氣CO₂在時(shí)間尺度、垂直和水平梯度上的特征，無(wú)論是國(guó)內(nèi)的研究?jī)?nèi)容還是國(guó)外的研究?jī)?nèi)容，主要的監(jiān)測(cè)方法有基于衛(wèi)星反演的觀測(cè)和基于大氣傳輸模型的CO₂濃度模擬。利用這些監(jiān)測(cè)技術(shù)獲得大氣CO₂濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)系統(tǒng)的記錄，分析影響大氣CO₂濃度的重要因素?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)常用的監(jiān)測(cè)方式是大氣本底站的定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)與樣本采集，積累了大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和研究成果，在大氣CO₂濃度變化特征的分析上，也結(jié)合了時(shí)間分布特點(diǎn)和空間分布特點(diǎn)，表明出了整體特征。但是，對(duì)于不同氣象條件對(duì)大氣CO₂濃度的影響，研究?jī)?nèi)容還不算完善，一些常見(jiàn)的分析手段并不能很好地適用，存在數(shù)據(jù)精度不足、標(biāo)準(zhǔn)偏差明顯的問(wèn)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(guī)律和影響因素的同時(shí)，進(jìn)一步優(yōu)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(shè)計(jì)

對(duì)于CO₂每日的樣本數(shù)據(jù)和每月的樣本數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，數(shù)據(jù)樣本數(shù)可能不能滿足要求的數(shù)據(jù)完整率。因此，在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，要保證日樣本數(shù)在18～22個(gè)之間，每月的樣本數(shù)在550～650之間。為了了解不同氣象條件對(duì)CO₂濃度的影響，需要采集不同氣象條件下的數(shù)據(jù)，風(fēng)是影響CO₂濃度變化的主要因素之一，為了準(zhǔn)確識(shí)別出CO₂濃度的時(shí)間變化特征和空間變化特征，將逐月和逐季風(fēng)向劃分為不同的方位，以22.50為間距分成16個(gè)方位，統(tǒng)計(jì)出各個(gè)方位的風(fēng)向頻率和平均風(fēng)速，結(jié)合CO₂濃度變化共同分析。

2實(shí)驗(yàn)研究

2.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

為了完善對(duì)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(jiàn)的分析方法作為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。采用定性分析的形式，以某區(qū)域作為實(shí)驗(yàn)區(qū)域，使用氣體分析儀和信息軟件采集CO₂樣本數(shù)據(jù)，用于實(shí)驗(yàn)分析?？紤]到實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性，設(shè)計(jì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種采樣方式。設(shè)置靜態(tài)采樣點(diǎn)采樣高度為18 m，以三天為一個(gè)采樣周期，獲得數(shù)據(jù)后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)篩選，去除異常數(shù)據(jù)，得到有效數(shù)據(jù)。靜態(tài)采樣數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

為了保證動(dòng)態(tài)采樣數(shù)據(jù)具有良好的有效性，在上午9點(diǎn)-11點(diǎn)之間移動(dòng)采集數(shù)據(jù)，剔除異常數(shù)據(jù)后，得到的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

分別以靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)作為目標(biāo)，使用不同的CO₂分析方法處理這些數(shù)據(jù)，在得到分析結(jié)果后，統(tǒng)計(jì)出各個(gè)分析方法的數(shù)據(jù)，用于與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比，測(cè)試數(shù)據(jù)精度以及分析方法的全局一致性。

2.2 CO₂標(biāo)準(zhǔn)偏差實(shí)驗(yàn)分析

隨機(jī)選擇多個(gè)采樣點(diǎn)作為目標(biāo)，從不同的分析方法中提取出部分?jǐn)?shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)得到各個(gè)采樣點(diǎn)的CO₂濃度變化值，與實(shí)際觀察進(jìn)行對(duì)比分析。具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

對(duì)比觀察表3中顯示的實(shí)際觀測(cè)值和各個(gè)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(shí)際觀測(cè)值最為接近，在年均值和年幅度的分析上相對(duì)準(zhǔn)確，標(biāo)準(zhǔn)偏差比較小；相比之下，另外兩種分析方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示的數(shù)據(jù)與實(shí)際觀察值相差較大，在CO₂濃度年均值和年幅度的分析上標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)精度實(shí)驗(yàn)分析

選取某個(gè)采樣點(diǎn)，使用不同的分析方法采集數(shù)據(jù)。對(duì)相應(yīng)的觀測(cè)值和分析值之間的擬合值進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而分析各個(gè)方法的數(shù)據(jù)精度是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

從圖2顯示的數(shù)據(jù)精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，各組實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示出的信息十分豐富，但是在擬合值和觀測(cè)值的解釋上有明顯的變化，對(duì)比各組結(jié)果可以看出，提出的分析方法擬合值和觀測(cè)值在分布特征上有明顯的相似性，總體看來(lái)精度較高。并且經(jīng)過(guò)計(jì)算基于時(shí)間尺度的分析方法檢驗(yàn)值為0.35，基于地對(duì)空觀測(cè)光譜的分析方法的檢驗(yàn)值為0.6，提出的分析方法的檢驗(yàn)值為0.88，說(shuō)明提出的分析方法數(shù)據(jù)精度更高。

2.4全局一致性實(shí)驗(yàn)分析

在全局一致性實(shí)驗(yàn)中，以CO₂濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為依據(jù)，利用計(jì)算機(jī)第三方軟件計(jì)算出全局性指數(shù)，分別以靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)作為條件，分析各個(gè)分析方法的全局一致性水平。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

各個(gè)分析方法的全局一致性實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，其中方法1表示基于時(shí)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(duì)空觀測(cè)光譜的分析方法。圖3（a）中，只有方法2的全局性指數(shù)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(duì)空觀測(cè)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(shù)值更高，說(shuō)明全局性更好。綜合上述三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，提出的CO₂濃度變化特征分析方法數(shù)據(jù)精度高，全局穩(wěn)定，優(yōu)于常見(jiàn)的分析方法。

3結(jié)語(yǔ)

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(biāo)，利用氣體分析儀和信息軟件采集CO₂樣本數(shù)據(jù)，分析不同氣象條件下的大氣CO₂，為保證空氣環(huán)境質(zhì)量安全提供一定的技術(shù)支持。經(jīng)過(guò)對(duì)大氣CO₂濃度變化特征的分析和總結(jié)，可知大氣CO₂的濃度變化與風(fēng)向、光照等因素息息相關(guān)，為了進(jìn)一步驗(yàn)證分析結(jié)果的可靠性，以提出的分析方法與幾種常見(jiàn)的分析方法作為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，通過(guò)對(duì)分析方法數(shù)據(jù)精度、標(biāo)準(zhǔn)偏差等內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)與分析，結(jié)果表明，提出的分析方法所得結(jié)果與實(shí)際結(jié)果差距較小，擬合值和觀測(cè)值在分布特征上有明顯的相似性，其檢驗(yàn)值為0.88，具有較高精度，且在不同條件下其分析結(jié)果均在及格線以上，具有更好的全局一致性，能夠保證結(jié)果的可靠性。