Picarro G2401——湖北金沙大气本底站温室气体背景特征及影响分析

海兰达尔环境监测

2023/10/13 16:01

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Picarro G2401——湖北金沙大气本底站温室气体背景特征及影响分析

江苏海兰达尔 2023-10-13 15:15 发表于江苏

原文链接：https://doi.org/10.3390/atmos14101541

背景介绍

华中地区是中国重要的源汇区，在此地区开展气候变化研究具有重要意义。作为华中地区唯一的背景监测点，金沙大气本底站的温室气体属性能代表整个华中地区的温室气体条件。

这项研究提供了金沙站第一组完整的CO₂、CH₄和CO年浓度数据，并分析了它们的日变化和季节特征。同时基于上述分析，探索了对该站点的潜在贡献区域，从而为今后的研究提供有价值的参考信息。

采样及系统设置

金沙本底站（JS; 114.2◦ E, 29.63◦ N, 751.6 m a.s.l.)位于湖北省崇阳县金沙镇一处山顶，周围30km内被竹林环绕。自2019年10月以来，金沙站使用Picarro公司的G2401温室气体分析仪连续监测大气CO₂、CH₄和CO浓度。

采样高度分别为15m和30m双层，经地面真空泵通过专用的10mm内径管线进行抽取，随后经7μm过滤器并将气压控制到1 atm。环境空气会通过-70℃乙醇浴冷阱，干燥至大约-60℃露点。同时开发了一个配有8端口多位阀门的自动进气模块，用来分别从环境空气和标准气瓶中采样。在整个过程中，环境空气从入口顶部到分析仪的有效传输时间小于60 s，并经过过滤、干燥，然后通过采样调节模块进行加压，以符合WMO/GAW网络的高质量目标。站点配备了目标气瓶用来对整套系统的精度和准确度进行常规检测，这些数值会通过与最近的标准气体测量值（W）之间的线性拟合进行校准。

这项研究中涉及的观测时间段为2019年10月1日至2021年4月17日。在测量中，使用T来检测系统的稳定性，只有当T的CO₂、CH₄和CO最新校准值分别达到±0.2ppm、±0.2ppb和±5ppb的期望值时，才能保留样品空气的测量值。结果显示，有95%以上的观测数据符合标准。

金沙站和多个WMO/GAW站点的位置

部分结果

将JS站滤波后的背景值与相近纬度上站点的背景值（浙江临安站，LAN；青海瓦里关站，WLG）进行了比较，与LAN相比，JS地区的CO₂浓度更低，这主要是因为华中地区的工业规模和人为排放量较小。此外，JS站距离城市中心更远，而LAN站靠近长三角工业区。较之LAN站，JS站受CO₂源排放的影响更小。此外，JS，LAN，WLG三个站点CO₂水平最低均发生在7月至8月间，这与夏季人为排放和供暖需求的减少有关。JS和LAN的浓度峰值则出现在12月，这与WLG峰值浓度出现在4-5月的情况非常不同。这种不同可以归因于冬季供暖，人类活动，燃烧产生的二氧化碳，较弱的大气对流以及冬季落叶植物的光合作用减弱而导致的碳封存能力的降低。

JS站CH₄峰值出现在9月，谷值则在8月。周边湿地和农田的甲烷排放，导致8月后浓度显著上升。甲烷在8-9月间波动了140ppb，因此JS站甲烷浓度在9月达到最高。与WLG站相比，JS和LAN站CO整体浓度更高，季节变化也更显著。

金沙站（JS），临安站（LAN），瓦里关站（WLG）每月区域CO₂、CH₄和CO浓度

通过分析每小时数据来观察日变化发现，JS站春季、夏季、秋季的CO₂浓度在15点时达到最小值。这主要是由于快速的垂直大气混合以及此时相对较高的边界层，使得低层大气中CO₂的积累变少。夏季的日变化最显著，主要是由于植物光合作用增强以及对流的提升。CO₂水平的峰值出现在8-10点间，这是夜间植物呼吸和最稳定的大气条件下产生的CO₂积累的结果。冬季CO₂的日变化幅度较小，主要受持续的人为排放和碳封存减少的影响。

甲烷的日变化显示，秋季达到浓度最大值，春季则最小，春、夏、秋季均有明显的日变化。在夜间，稳定边界层阻碍了大气中甲烷的扩散，导致了来自地面源甲烷的积累，同时阳光的减弱也降低了OH自由基的浓度，减少了甲烷的消耗。而相反地，日出后，光照增强，温度升高，边界层对流扩散增强，OH自由基浓度增加，甲烷在日间12-14点观察到最低值。

JS站CO浓度的日变化类似于CO₂的模式：夏季低，冬季高。不同的是，CO在10点和19点各出现了一个浓度峰值，在0点和6点则观察到了谷值，这表明JS站CO浓度可能受到邻近城市地区的车辆排放或人为活动的影响。

JS站四季CO₂、CH₄、CO浓度的平均日变化

对四季中1、4、7、10月CO₂和CH₄污染事件的轨迹进行分析。在春季，CO₂的污染源输送主要来源于东北方向。相比之下，CH₄的春季源传输从西南方向有所增加，特别是包括了湖南地区。在夏季，CO₂和CH₄污染源的传输主要来自于正北和西南方向的气团。在秋、冬两季，CO₂和CH₄的污染源传输方向一致，主要来自于北方，穿越了太原、石家庄、郑州、武汉、合肥和南京等主要城市。CO₂和CH₄在传输途径和平均空气质量数值上的差异进一步表明，CO₂主要受城市集群的人为排放的影响，而CH₄则主要受湿地等自然来源排放的影响。

不同季节72小时的后向轨迹聚类分析

结论

这项研究考察了2019年10月至2021年4月期间，金沙区域大气本底站CO₂、CH₄和CO浓度的季节和日变化，评估了气象条件对该站点温室气体浓度的影响。此外，通过潜在源贡献函数分析，利用后向轨迹确定了影响站点的主要传输源。

结果表明，2020年金沙站CO₂、CH₄和CO的本底浓度分别为424.1±0.1ppm，2046.2±0.6ppb和324.1±1.1ppb。CO₂浓度夜间较高，受边界层高度、光合作用和人类活动的影响。秋季甲烷浓度在四季中最高，受到华中地区农业活动的影响。而CO₂和CO浓度在冬季达到最高值，主要受来自京津冀地区和湖北传输的影响。在我国全面碳中和的背景下，应更加注意京津冀地区冬季供暖和工业活动的排放，并在监测过程中深入区分传输源的影响。