解淑艷，王勝杰，王瑞斌

(1.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京 100012;2.中國(guó)氣象局資產(chǎn)管理事務(wù)中心，北京 100081)

隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快和對(duì)能源需求的不斷加大，人類(lèi)活動(dòng)造成的大氣中溫室氣體濃度不斷升高，對(duì)全球的氣候、生態(tài)等各方面帶來(lái)顯著影響［1］。文獻(xiàn)［2］表明，受人為影響的溫室氣體中CO2居于首位。2000年，背景大氣CO2體積分?jǐn)?shù)值達(dá)到368×10－6，較1750年上升了(31±4)%。據(jù)估計(jì)，將導(dǎo)致1990年—2100年全球平均氣溫有可能升高1.5～5.8℃［3］，大氣中 CO2等溫室氣體濃度的升高，有可能引起全球氣溫的升高，從而導(dǎo)致海平面上升、降水分布異常等一系列環(huán)境問(wèn)題。

目前關(guān)于大氣本底觀測(cè)臺(tái)站約200個(gè)，涉及60多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，其中基準(zhǔn)站約20個(gè)，用于大氣背景CO2時(shí)空變化趨勢(shì)、全球碳循環(huán)等［4］的研究。許多國(guó)家還開(kāi)展了城市和區(qū)域大氣CO2濃度觀測(cè)［5－8］。中國(guó)在大氣背景CO2濃度監(jiān)測(cè)方面開(kāi)展較晚，中科院于1988年開(kāi)始組建成立生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)，目前已擁有40個(gè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站;中國(guó)氣象局正在內(nèi)陸14個(gè)關(guān)鍵氣候與生態(tài)區(qū)建設(shè)7個(gè)大氣本底站，其中青海瓦里關(guān)、浙江臨安、北京上甸子和黑龍江龍鳳山站已加入 GAW［1－2，9－12］。

現(xiàn)選取東亞地區(qū)5個(gè)大氣本底觀測(cè)站1994年以來(lái)觀測(cè)的CO2監(jiān)測(cè)資料，分析各站大氣CO2濃度的時(shí)空變化特征，以及CO2主要人為源的變化及其影響。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

采用溫室氣體世界資料中心(WDCGG)提供的中國(guó)瓦里關(guān)、日本 Minamitorishima、韓國(guó) Taeahn Peninsula、蒙古 Ulaan Ul、印度尼西亞 Bukit Koto Tabang觀測(cè)點(diǎn)位自1994—2010年監(jiān)測(cè)的CO2數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位見(jiàn)表1。

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位

上述觀測(cè)臺(tái)站均遠(yuǎn)離各種人為排放源，站點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠較為客觀地反映東亞地區(qū)各種氣候環(huán)境下的大氣CO2濃度分布狀況。

2 結(jié)果分析

2.1 CO2濃度年變化趨勢(shì)

各國(guó)CO2濃度年際變化見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn)，自1994年以來(lái)，中國(guó)、日本、韓國(guó)、蒙古、印度尼西亞CO2濃度均呈明顯上升趨勢(shì)。

中國(guó)、日本、韓國(guó)1997年、2001年、2005年、2009年(中國(guó)為2008年)CO2濃度不同百分位值分布見(jiàn)圖2(a)(b)(c)。

圖1 各國(guó)CO2濃度年際變化

圖2 中國(guó)、日本、韓國(guó)不同年份CO2百分位值(從5%分位到95%分位)

由圖2可見(jiàn)，3個(gè)國(guó)家CO2濃度均呈逐年升高趨勢(shì)。5%分位值基本可代表該國(guó)大氣中CO2背景值，95%分位值可代表該國(guó)大氣中CO2濃度的最高值，50%分位值可代表該國(guó)大氣中CO2的平均值。

2.2 CO2月均值變化趨勢(shì)

各國(guó)CO2月均值變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)，在北半球國(guó)家，冬春季節(jié)溫度較低，大多數(shù)植被落葉，植被通過(guò)光合作用固定CO2的能力有所降低，同時(shí)人類(lèi)需要燃燒礦物燃料等進(jìn)行取暖，也會(huì)釋放大量的CO2，此時(shí)CO2源增加而匯有所減少，導(dǎo)致CO2濃度較高。當(dāng)北半球國(guó)家處于夏季時(shí)，溫度較高，植被茂密，光照時(shí)間較長(zhǎng)，植被的光合作用較強(qiáng)，對(duì)CO2的固定作用較強(qiáng)，因此夏季大氣中CO2源強(qiáng)度較弱而匯強(qiáng)度較強(qiáng)，導(dǎo)致濃度較低。東亞國(guó)家CO2濃度逐年升高，北半球國(guó)家總體呈現(xiàn)冬春季節(jié)高，夏季低的特點(diǎn)，南半球的印度尼西亞5—6月及 9—10月較低。

圖3 各國(guó)CO2月均值變化

2.3 人均CO2年排放量變化

1994—2006年人均CO2排放量變化趨勢(shì)見(jiàn)圖4，數(shù)據(jù)來(lái)源于CO2信息分析中心(CDIAC)。

圖4 1994—2006年人均CO2排放量變化趨勢(shì)

由圖4可見(jiàn)，自1994—2006年，美國(guó)人均年排放CO2量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他國(guó)家，并保持穩(wěn)定趨勢(shì);日本和韓國(guó)人均CO2年排放量在東亞地區(qū)屬于較高水平;中國(guó)、蒙古、印度尼西亞人均年排放CO2量較低，中國(guó)自2000年以來(lái)呈升高趨勢(shì)，蒙古和印度尼西亞人均年排放CO2量保持穩(wěn)定。

3 討論

3.1 化石燃料消耗量變化

(1)煤炭消耗量變化。煤炭消耗量變化趨勢(shì)見(jiàn)圖5。

圖5 煤炭消耗量變化

由圖5可見(jiàn)，中國(guó)、美國(guó)煤炭消耗總量遠(yuǎn)高于日本、韓國(guó)和印度尼西亞 ;日本、韓國(guó)、印度尼西亞自1994年以來(lái)煤炭消耗量均有不同程度升高，年增長(zhǎng)率為3.3%～14.5%，總體處于較低水平。

(2)石油消耗量變化。石油消耗量變化趨勢(shì)見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn)，1994年—2008年，美國(guó)石油消耗總量保持較高水平，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于東亞地區(qū)國(guó)家。日本石油消耗量總體呈下降趨勢(shì) ;中國(guó)石油消耗總量總體呈升高趨勢(shì)，但遠(yuǎn)低于美國(guó)。韓國(guó)、印度尼西亞石油消耗量呈升高趨勢(shì)。

圖6 石油消耗量變化趨勢(shì)

(3)天然氣消耗量變化。天然氣消耗量變化趨勢(shì)見(jiàn)圖7。由圖7可見(jiàn)，美國(guó)天然氣消耗量遠(yuǎn)高于東亞地區(qū)國(guó)家，總體保持穩(wěn)定。日本、中國(guó)、韓國(guó)、印度尼西亞天然氣消耗量總體呈上升趨勢(shì)。

圖7 天然氣消耗量變化趨勢(shì)

化石燃料消耗總量變化趨勢(shì)見(jiàn)圖8。由圖8可見(jiàn)，1994年以來(lái)，中國(guó)化石燃料消耗總量呈上升趨勢(shì)，自2002年開(kāi)始年平均增長(zhǎng)率為9.4%，至2008年已接近美國(guó)水平，1994—2003年，中國(guó)化石燃料消耗總量是日本的約2倍，2008年是日本的4倍。

3.2 森林及農(nóng)業(yè)覆蓋率

(1)森林覆蓋率變化。森林覆蓋率變化趨勢(shì)見(jiàn)圖9，數(shù)據(jù)來(lái)源:世界銀行。由圖9可見(jiàn)，1990—2010年，日本、韓國(guó)、印度尼西亞森林覆蓋率較高，均超過(guò)50%。印度尼西亞森林覆蓋率降低明顯，2010年較1990年下降幅度超過(guò)10%，日本和韓國(guó)森林覆蓋率保持穩(wěn)定，中國(guó)森林覆蓋率有所升高，蒙古森林覆蓋率有所降低。

圖8 化石燃料消耗總量變化趨勢(shì)

圖9 森林覆蓋率變化趨勢(shì)

聯(lián)合國(guó)食物與農(nóng)業(yè)組織對(duì)各國(guó)森林碳儲(chǔ)量見(jiàn)圖10，數(shù)據(jù)來(lái)源:聯(lián)合國(guó)食物與農(nóng)業(yè)組織FAO［13］。由圖10可見(jiàn)，東亞地區(qū)國(guó)家森林碳儲(chǔ)量與森林覆蓋率具有直接關(guān)系，中國(guó)森林碳儲(chǔ)量增加較明顯，20年間增長(zhǎng)幅度超過(guò)40%。

圖10 森林碳儲(chǔ)量變化趨勢(shì)

(2)農(nóng)業(yè)覆蓋率變化。農(nóng)業(yè)覆蓋率的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖11，數(shù)據(jù)來(lái)源:世界銀行。由圖11可見(jiàn)，1994—2009年，東亞地區(qū)國(guó)家農(nóng)業(yè)覆蓋率總體保持穩(wěn)定。蒙古農(nóng)業(yè)覆蓋率較高，中國(guó)農(nóng)業(yè)覆蓋率超過(guò)55%，總體保持穩(wěn)定;印度尼西亞、韓國(guó)、日本農(nóng)業(yè)覆蓋率較低，印度尼西亞呈升高趨勢(shì)，韓國(guó)和日本略有降低。

圖11 農(nóng)業(yè)覆蓋率變化趨勢(shì)

3.3 CO2濃度與人為源相關(guān)關(guān)系

表2為CO2濃度與上述人為源的相關(guān)關(guān)系，采用相關(guān)系數(shù)0.001的置信區(qū)間。

表2 CO2濃度與人為源的相關(guān)關(guān)系

4 結(jié)論

(1)1994—2010年，不同氣候背景條件下，東亞地區(qū)CO2濃度有所差異，韓國(guó)較高，印度尼西亞較低，各國(guó)總體呈升高趨勢(shì)，年均增長(zhǎng)率0.5%左右;

(2)東亞地區(qū)大氣中的CO2濃度有明顯的季節(jié)性變化，4—5月最高，7—8月最低，春季(3—5月)高于夏季(7—9月)，秋冬2季(10—2月)較平穩(wěn)，變化不大;

(3)東亞各國(guó)化石燃料消耗增量明顯，植被及農(nóng)業(yè)覆蓋率除印度尼西亞、蒙古覆蓋率有所降低外，其他各國(guó)變化不大。相關(guān)性分析表明，通過(guò)削減化石燃料消耗、增加農(nóng)業(yè)或森林覆蓋率可降低空氣中CO2濃度。

致謝:感謝世界溫室氣體數(shù)據(jù)中心(WDCGG)、二氧化碳信息分析中心(CDIAC)和世界銀行、聯(lián)合國(guó)食物與農(nóng)業(yè)組織、BP.2009.Statistical Review of World Energy

［1］劉立新，周凌晞，張曉春，等.我國(guó)4個(gè)國(guó)家級(jí)本底站大氣CO2濃度變化特征［J］.地球科學(xué)，2009，39(2):222 －228.

［2］王長(zhǎng)科，王躍思，劉廣仁.北京城市大氣CO2濃度變化特征及影響因素［J］.環(huán)境科學(xué)，2003，24(4):13 －17.

［3］IPCC.Climate Change 2001:Synthesis Report［R］.2001:4 － 5.

［4］INOUE H Y，MAT S H.Measurements of atmospheric CO2from a meteorological tower in Tsukuba，Japan［J］.Tellus，2001，53B:205－ 219.

［5］LEVIN I，GRAUL R，TRIVETT B A N.Long-term observations of atmospheric CO2and carbon isotopes at continent al sites in Germany［J］.Tellus，1995，47B:23 －34.

［6］BAKW P S，TANS P P.Measurement s of carbon dioxide on a very t all tower［J］.Tellus，1995，47B:535 － 549.

［7］IDSO S B，IDSO C D，BALLING C R.Seasonal and diurnal variations of near surface atmospheric CO2con cent ration within a residential sect or of the urban CO2dome of Phoenix，AZ，USA［J］.Atmospheric Environment，2002，36:1655 － 1660.

［8］GRIMMONDA C S B，KING T S，CROPLEYA D J，et al.Local scale fluxes of carbon dioxide in urban environments:Methodological challenges and results from Chicago［J］.Environmental Pollution，2002，116:243 －254.

［9］溫玉璞，湯潔，邵志清，等.瓦里關(guān)大氣二氧化碳濃度變化及地表排放影響的研究［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，1997，8(2):129－136.

［10］王木林，李興生.大氣本底監(jiān)測(cè)站的CH4，CO2和CO濃度的初步分析.我國(guó)大陸和西太平洋地區(qū)大氣痕量氣體及其他化學(xué)物質(zhì)的監(jiān)測(cè)研究［M］.北京:氣象出版社，1986:172－185.

［11］王明星，劉衛(wèi)衛(wèi)，RASMUSSEN R A，等.我國(guó)西北部沙漠地區(qū)大氣甲烷濃度的季節(jié)變化的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)［J］.科學(xué)通報(bào)，1989(9):684－686.

［12］王庚辰，溫玉璞，孔琴心，等.中國(guó)大陸上空CO2的本底濃度及其變化［J］.科學(xué)通報(bào)，2002，47(10):780 －783.

［13］Food and Agriculture Organization of the United Nations.Rome，2011.State of the World's Forests 2011［R］.ISBN 978 －92 －5－106750－5.