史曉寧

(南京市第二十九中學(xué)，江蘇南京 210036)

我國(guó)近地面甲烷濃度分布及變化規(guī)律

史曉寧

(南京市第二十九中學(xué)，江蘇南京 210036)

利用我國(guó)業(yè)務(wù)使用的5個(gè)大氣本底監(jiān)測(cè)站的觀(guān)測(cè)資料，分析了2009年1月至2013年12月不同地區(qū)近地面甲烷(CH4)濃度的分布和變化規(guī)律。結(jié)果表明：這5年臨安站CH4濃度最高，其次是龍鳳山站，上甸子站居中，而香格里拉站和瓦里關(guān)站CH4濃度最低。上甸子站和龍鳳山站CH4濃度具有明顯的雙峰特征，最高值出現(xiàn)在夏季，次高值出現(xiàn)在冬季；且受人為活動(dòng)的影響，CH4濃度日變化幅度很大。而香格里拉站和瓦里關(guān)站由于海拔高，人為排放源少，只有1個(gè)峰值出現(xiàn)在自然源排放強(qiáng)烈的夏季。除上甸子站CH4濃度呈逐年略下降趨勢(shì)外，其余4個(gè)站的CH4濃度都呈逐漸上升趨勢(shì)。

大氣本底站；甲烷；分布和變化

甲烷(CH4)根據(jù)來(lái)源可分為人為甲烷源和天然甲烷源，人為甲烷源包括稻田甲烷、化石燃料甲烷、垃圾堆填甲烷、畜牧甲烷，其中稻田甲烷排放量為40×106～60×106t/a，是主要的人為排放源之一。天然甲烷源CH4的釋放不受人類(lèi)活動(dòng)的影響，主要包括濕地、白蟻(集中在熱帶雨林和草原)、海洋、地質(zhì)甲烷，其中，濕地甲烷為最大的甲烷天然源[1]。CH4在大氣中的濃度低于CO2，但單位濃度溫室效應(yīng)是CO2的25倍，在大氣中造成的溫室效應(yīng)僅次于CO2，遠(yuǎn)高于N2O[2]。CH4是化學(xué)活性氣體，在大氣中易被氧化而產(chǎn)生一系列HxOy和碳?xì)溲趸?，在許多大氣成分的化學(xué)轉(zhuǎn)化中扮演著重要角色[3]。自工業(yè)革命以來(lái)，大氣中CH4的含量迅速增加，其濃度逐年升高，目前已是工業(yè)化前的2倍多，20世紀(jì)80年代中期，CH4含量以每年1%的驚人速度增長(zhǎng)[4]。據(jù)計(jì)算，近年來(lái)全球溫度升高的20%來(lái)自于CH4的貢獻(xiàn)[5]。CH4的濃度變化對(duì)大氣的化學(xué)過(guò)程和氣候變化都具有重要作用，因此有必要對(duì)我國(guó)近地面CH4的濃度分布和變化規(guī)律進(jìn)行研究。國(guó)內(nèi)對(duì)溫室氣體CH4的研究成果多集中于分析全球大氣本底站瓦里關(guān)站觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)大氣中CH4濃度呈逐年上升趨勢(shì)[6-7]，而對(duì)幾個(gè)區(qū)域大氣本底站CH4觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)分析較少。筆者分析了我國(guó)已建成并投入使用的5個(gè)大氣本底監(jiān)測(cè)站的CH4濃度及變化規(guī)律，剖析其形成機(jī)制。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

該研究使用的資料來(lái)自我國(guó)5個(gè)大氣本底監(jiān)測(cè)站，大氣本底站綜合觀(guān)測(cè)大氣臭氧及其他溫室氣體的濃度、氣溶膠和降水及太陽(yáng)輻射。這些資料充分反映了我國(guó)及亞歐大陸腹地大氣本底的特性、組成及變化，對(duì)于研究該地區(qū)大氣化學(xué)成分的變化及其與氣候、生態(tài)環(huán)境變化的關(guān)系具有重要意義[8]。全球大氣本底站青海瓦里關(guān)站(100°54′ E，36°17′ N，海拔3 810 m)位于青藏高原，是全球最高的大氣本底基準(zhǔn)監(jiān)測(cè)站，也是北半球內(nèi)陸腹地唯一的大氣本底站，其觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)代表北半球中緯度內(nèi)陸地區(qū)大氣本底特性。區(qū)域大氣本底站有4個(gè)：臨安站(119°04′ E，30°18′ N，海拔139 m)位于浙江省北部，其觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)代表我國(guó)東部工業(yè)區(qū)的大氣本底特性；龍鳳山站(127°36′ E，44°44′ N，海拔331 m)位于黑龍江省南部，其觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)代表我國(guó)東北部鄉(xiāng)村或森林地區(qū)的大氣本底特性；上甸子站(117°07′ E，40°39′ N，海拔287 m)位于北京東北部，觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)代表我國(guó)北方工業(yè)區(qū)的大氣本底特性；云南香格里拉站(99°44′ E，28°01′ N，海拔3 580 m)填補(bǔ)了我國(guó)西南及東南亞地區(qū)大氣本底觀(guān)測(cè)的空白，對(duì)于分析研究我國(guó)南方典型季風(fēng)地區(qū)大氣原始成分及全球氣候變遷具有深遠(yuǎn)意義。

這5個(gè)大氣本底監(jiān)測(cè)站都是利用空氣樣品瓶Flask采樣測(cè)量，采樣高度距地面5 m。筆者使用資料為2009年1月至2013年12月的CH4體積混合比觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括日觀(guān)測(cè)濃度和月平均的CH4濃度。采用質(zhì)量濃度表示CH4濃度，單位為mg/m3。

2 我國(guó)5個(gè)大氣本底監(jiān)測(cè)站的CH4濃度分布及變化規(guī)律

從圖1可見(jiàn)，2009年1月至2013年12月臨安站CH4濃度最高(平均值為1.41 mg/m3)，這主要由于我國(guó)東部地區(qū)人口密度大、人為排放量大；其次是龍鳳山站(平均值1.38 mg/m3)，上甸子居中(1.36 mg/m3)；香格里拉站和瓦里關(guān)站的平均CH4濃度最低，分別為1.31和1.32 mg/m3。這可能由于香格里拉站和瓦里關(guān)站海拔高，地廣人稀，人為排放源少。

相對(duì)而言，瓦里關(guān)站的CH4濃度季節(jié)變化較小，每個(gè)月CH4濃度變化不明顯，說(shuō)明瓦關(guān)站大氣本底條件、生態(tài)環(huán)境變化不大；而臨安站、龍鳳山站和香格里拉站的CH4濃度存在明顯的季節(jié)變化。臨安站每年的CH4濃度最高值出現(xiàn)在12月和次年1月，春季5月為次大值，最低值出現(xiàn)在7月，之后開(kāi)始上升，冬季高于夏季。臨安地區(qū)三面環(huán)山，以丘陵為主，生態(tài)環(huán)境好，是國(guó)家工業(yè)區(qū)，CH4主要來(lái)源是人為排放，冬季寒冷季節(jié)人為因素排放導(dǎo)致CH4濃度較高。龍鳳山站的CH4濃度變化為典型的雙峰型，每年12月、次年1月和7、8月為峰值，最低值出現(xiàn)在春季4、5月，10月較低。龍鳳山位于黑龍江省，東北部分布有多年凍土，隨著春季氣溫逐漸升高，土壤融化，微生物的活性和數(shù)量增加，使得CH4不斷釋放并在大氣中累積，最大值出現(xiàn)在8月；而冬季的高值主要是由冬季取暖、化石燃料燃燒造成。上甸子站位于北京東北部，CH4濃度的季節(jié)變化與龍鳳山站類(lèi)似，為雙峰型。這是由于我國(guó)北方地區(qū)受生物源和非生物源的交替影響具有明顯的雙峰季節(jié)變化特征，最高值出現(xiàn)在夏季，次高值出現(xiàn)在冬季。香格里拉站CH4濃度的變化周期較穩(wěn)定，只有1個(gè)峰值出現(xiàn)在夏季，每年9月達(dá)到峰值，12月和次年1月最低。這是由于西部地區(qū)人為活動(dòng)稀少，高值只出現(xiàn)在自然源排放強(qiáng)烈的夏季，冬季沒(méi)有明顯的人為排放源(如冬季大量燃煤)。香格里拉位于我國(guó)西部地區(qū)，該地區(qū)9月的CH4濃度高值與南方、南亞地區(qū)水稻種植產(chǎn)生的高濃度CH4及南亞季風(fēng)輸送到青藏高原上空有關(guān)。在亞洲夏季風(fēng)期間，印度、東南亞和中國(guó)華南地區(qū)的稻田等會(huì)排放大量CH4，隨著季風(fēng)的加強(qiáng)引導(dǎo)高原南部、東南部地區(qū)大氣低層的CH4向高原輸送，造成8、9月CH4體積混合比達(dá)到峰值，隨著夏季風(fēng)的撤退，CH4濃度迅速減小，高值期結(jié)束[9]。

圖1的線(xiàn)性擬合曲線(xiàn)反映了各大氣本底監(jiān)測(cè)站CH4濃度的變化趨勢(shì)。2009年1月至2013年12月香格里拉站的CH4濃度變化趨勢(shì)最小，幾乎沒(méi)有變化；上甸子站觀(guān)測(cè)的CH4濃度略有逐年下降的趨勢(shì)，這與北京地區(qū)環(huán)境和污染源排放治理有關(guān)；其余3個(gè)觀(guān)測(cè)站的CH4濃度均呈逐漸上升趨勢(shì)，其中瓦里關(guān)站上升趨勢(shì)最快，臨安站次快，龍鳳山站最小。

注：a為瓦里關(guān)站；b為臨安站；c為龍鳳山站；d為上甸子站；e為香格里拉站。 由于香格里拉站建設(shè)的比較晚，從2000年7月才開(kāi)始有業(yè)務(wù)觀(guān)測(cè)資料。Note：a.Waliguan station；b.Lin’an station；c.Longfengshan station；d.Shangdianzi station；e.Shangri-La station.The observation data of Shangri-La station was obtained from July 2000 owing to relatively late construction.圖1 2009年1月至2013年12月大氣本底監(jiān)測(cè)站的月平均CH4濃度變化Fig.1 The change of monthly methane concentration in atmospheric background station from Jan.2009 to Dec.2013

從圖2可見(jiàn)，臨安站和上甸子站觀(guān)測(cè)的CH4濃度日振幅較大、日變化比較大，每日CH4濃度變化幅度超過(guò)0.071 mg/m3。而瓦里關(guān)站和香格里拉站的CH4濃度逐日變化較小，每日CH4濃度變化為0.007～0.014 mg/m3，說(shuō)明這2個(gè)地區(qū)受人為活動(dòng)排放影響較小。

注：a為瓦里關(guān)站；b為臨安站；c為龍鳳山站；d為上甸子站；e為香格里拉站。 由于香格里拉站建設(shè)的比較晚，從2000年7月才開(kāi)始有業(yè)務(wù)觀(guān)測(cè)資料。Note：a.Waliguan station；b.Lin’an station；c.Longfengshan station；d.Shangdianzi station；e.Shangri-La station.The observation data of Shangri-La station was obtained from July 2000 owing to relatively late construction.圖2 2009年1月至2013年12月大氣本底監(jiān)測(cè)站的逐日CH4濃度變化Fig.2 The change of daily methane concentration in atmospheric background station from Jan.2009 to Dec.2013

3 結(jié)論

筆者利用我國(guó)已經(jīng)建成并投入業(yè)務(wù)使用的5個(gè)大氣本底監(jiān)測(cè)站的觀(guān)測(cè)資料，分析了2009年1月至2013年12月不同地區(qū)近地面CH4的濃度分布和變化規(guī)律。得出如下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)代表我國(guó)東部工業(yè)區(qū)的臨安站CH4濃度最高，其次是位于東北部森林地區(qū)的龍鳳山站，北京東北部的上甸子站居中，西南云南香格里拉站和位于青藏高原的瓦里關(guān)站CH4濃度最低。

(2)由于上甸子站和龍鳳山站CH4濃度季節(jié)變化受自然甲烷源和人為甲烷源的交替影響具有明顯的雙峰特征，CH4濃度最高值出現(xiàn)在夏季，次高值出現(xiàn)在冬季。而香格里拉站和瓦里關(guān)站由于海拔高，大氣本底條件、生態(tài)環(huán)境變化不大，人為排放源少，只有1個(gè)峰值出現(xiàn)在自然源排放強(qiáng)烈的夏季。香格里拉站9月的高值與南方、南亞地區(qū)水稻種植產(chǎn)生高濃度CH4及南亞季風(fēng)輸送到青藏高原上空有關(guān)。

(3)2009年1月至2013年12月，5個(gè)大氣本底監(jiān)測(cè)站CH4濃度的變化趨勢(shì)不同。香格里拉站變化趨勢(shì)最小，5年變化不大；上甸子站CH4濃度呈逐年下降趨勢(shì)，而其余3個(gè)

站CH4濃度均呈逐年上升趨勢(shì)，瓦里關(guān)站上升趨勢(shì)最快，臨安站次快。

(4)臨安站和上甸子站觀(guān)測(cè)的CH4濃度日振幅較大、日變化較大，而瓦里關(guān)站和香格里拉站逐日變化較小，說(shuō)明這2個(gè)地區(qū)的CH4濃度受人為活動(dòng)影響較小。

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The Distribution and Variation Trend of Near Surface Methane Concentration in China

SHI Xiao-ning

(Nanjing No.29 High School, Nanjing, Jiangsu 210036)

The distribution and change trend of near surface methane concentration was analyzed using methane observations from Chinese five operational atmospheric background stations from Jan. 2009 to Dec. 2013. The results showed that the methane concentration of Lin’an station was the highest, Longfengshan station was second high, Shangdianzi station lied middle level, while the concentrations in Shangri-La and Waliguan station were relatively low in these five years. The methane concentration in Shangdianzi and Longfengshan station were having double peak characters with highest values in summer and the second highest in winter. At the same time the diurnal change in these two stations were also higher as a result of human activity. While, only one peak existed in Waliguan and Shangri-La station with the highest values in summer because of the high altitude and minimal anthropogenic emissions. Besides the methane concentration in Shangdianzi station showed slightly downward trend, the methane in other four stations all presented the increasing trend with time.

Atmospheric background station; Methane; Distribution and variation

史曉寧(2000- )，女，江蘇南京人，高中生。

2016-09-26

S 181

A

0517-6611(2016)35-0106-03