馮先林，錢(qián)康妮，博爾楠，王 丹，鄧凌峰

(1.阿勒泰地區(qū)氣象局，新疆阿勒泰 836500;2.阿克達(dá)拉區(qū)域大氣本底站，新疆福海 836400)

CO是一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)臭的氣體，高濃度的CO對(duì)人體有毒害作用。大氣中的CO主要來(lái)源于含碳物質(zhì)的燃燒過(guò)程，是人類活動(dòng)排放量最大的大氣污染物之一。CO是參與大氣碳循環(huán)的重要?dú)怏w之一，盡管CO本身不是溫室氣體，但它可以間接地影響其它溫室氣體(如甲烷)的大氣壽命，所以CO也是具有氣候意義的大氣成分。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者已對(duì)不同區(qū)域的CO展開(kāi)了大量研究，程巳陽(yáng)[1]等通過(guò)與2010年上甸子大氣本底站和城區(qū)海淀寶聯(lián)站的CO觀測(cè)濃度的比較,研究了北京地區(qū)CO濃度變化特征,并統(tǒng)計(jì)分析了各類排放源的貢獻(xiàn)差異。吳戰(zhàn)平[2]等利用2013年1月1日—2015 年6月30日貴陽(yáng)市9 個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站CO監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分析了貴陽(yáng)市CO的年變化、日變化特征,發(fā)現(xiàn)CO濃度為單谷型年變化,夏季濃度最低,冬季濃度最高，日變化呈雙峰型特征，郊區(qū)日平均濃度低于市區(qū)。苑麗[3]等對(duì)2015—2017年焦作市4個(gè)國(guó)控空氣監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明：2015—2017年城區(qū)環(huán)境空氣污染CO質(zhì)量濃度呈逐年下降趨勢(shì)，季節(jié)變化特征明顯,冬季最高、夏季最低。趙玉成[4]等經(jīng)過(guò)在瓦里關(guān)全球大氣本底觀象臺(tái)進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際空氣采樣，對(duì)1991—2016年空氣樣品中的大氣本底濃度測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)瓦里關(guān)地區(qū)大氣中CO質(zhì)量濃度的年平均值增長(zhǎng)趨勢(shì)不太明顯，且波動(dòng)較大，其中年平均濃度的高值分別出現(xiàn)在2004、2005、2007、2010年，在1993、2008年平均濃度則較低。劉潔[5]等于2005年1月1日—12月31日在北京上甸子區(qū)域大氣本底站連續(xù)觀測(cè) CO濃度，分析了晴天、雨天、霾天和沙塵天氣條件下CO的變化特征，其變化規(guī)律為: 晴天、雨天和沙塵天的 CO濃度水平較低，霾天CO 的濃度遠(yuǎn)高于其它天氣條件。紀(jì)凡華[6]等對(duì)2009—2017年聊城空氣污染日數(shù)據(jù)和靜穩(wěn)天氣的氣候特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)CO平均質(zhì)量濃度呈降低趨勢(shì)，月平均污染日數(shù)成波浪型變化，1月和12 月最嚴(yán)重；冬季污染最嚴(yán)重，夏季最輕；霧、霾天氣出現(xiàn)日數(shù)與月污染日數(shù)呈明顯正相關(guān)。另外還有許多科研人員對(duì)全國(guó)不同區(qū)域的CO進(jìn)行了特征分析及氣象相關(guān)要素研究[7-9]。新疆阿克達(dá)拉作為中國(guó)繼青海瓦里關(guān)、北京上甸子、黑龍江龍鳳山、浙江臨安、云南香格里拉之后第6個(gè)區(qū)域大氣本底站，保存了多年的CO資料，而基于其數(shù)據(jù)資料的相關(guān)研究卻很少，分析阿克達(dá)拉CO的變化特征，確定阿克達(dá)拉上游區(qū)域的大氣本底信息以及污染物的跨境輸送等特征，可為研究氣候環(huán)境變化、制定環(huán)境外交和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提供準(zhǔn)確、可靠的基礎(chǔ)性科學(xué)數(shù)據(jù)，具有非常重要的意義。

1 資料及方法

1.1 觀測(cè)儀器與方法

按照大氣成分觀測(cè)規(guī)范，儀器安裝在阿克達(dá)拉區(qū)域大氣本底站業(yè)務(wù)樓觀測(cè)室內(nèi)，采樣口高出屋頂平臺(tái)1.5 m，四周開(kāi)闊無(wú)遮擋物，采樣口距離地面5.0 m。觀測(cè)儀器是由澳大利亞Ecotech公司生產(chǎn)的EC/ML9830T型CO分析儀。該儀器為不分光(非色散)紅外光度計(jì)，采用氣體過(guò)濾相關(guān)技術(shù)和最新光電技術(shù)，可準(zhǔn)確可靠地測(cè)量較低質(zhì)量濃度的CO，其產(chǎn)生的紅外輻射(IR)被在5 m光程長(zhǎng)的封閉通道內(nèi)的CO所吸收。EC/ML9830T內(nèi)置催化式零氣發(fā)生器，可提供無(wú)CO氣體。在樣氣進(jìn)入轉(zhuǎn)換器后，機(jī)內(nèi)微處理器自動(dòng)校準(zhǔn)零點(diǎn)。除了溫度和壓力補(bǔ)償外，EC/ML9830T可根據(jù)標(biāo)氣的已知質(zhì)量濃度對(duì)儀器進(jìn)行跨度調(diào)整。使用時(shí)，儀器在所測(cè)質(zhì)量濃度超過(guò)正常量程的90%時(shí)，可自動(dòng)進(jìn)行高量程切換，而當(dāng)測(cè)量讀數(shù)回落到正常值的80%時(shí)，儀器自動(dòng)切換成原量程狀態(tài)。EC/ML9830T儀器被美國(guó)環(huán)保局USEPA 指定為等效產(chǎn)品。數(shù)據(jù)采集和記錄由外接的數(shù)據(jù)采集儀或紙帶記錄儀來(lái)完成。

1.2 數(shù)據(jù)處理

所采用資料為阿克達(dá)拉國(guó)家大氣本底站自有資料以來(lái)即2010年1月1日—2019年12月31日1 min觀測(cè)1次的CO資料，經(jīng)過(guò)中國(guó)氣象科學(xué)研究院大氣探測(cè)中心篩選、整理、檢測(cè)，并剔除不完整及錯(cuò)誤資料，嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。在此基礎(chǔ)上，按照正常資料數(shù)據(jù)完整率≥75%的標(biāo)準(zhǔn)，選取了2012年1月1日—2017年12月31日時(shí)間段的可用連續(xù)資料，統(tǒng)計(jì)每5 min平均值，即在1 min數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上，有≥4次數(shù)據(jù)是正常的情況下，統(tǒng)計(jì)5 min平均數(shù)據(jù)，依次類推，分別做小時(shí)、日、月、季、年的統(tǒng)計(jì)。

根據(jù)阿勒泰地區(qū)氣候及農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)，將4—5月劃分為春季，6—8月為夏季，9—10月為秋季，11月—次年3月為冬季，其中11—12月為前冬，次年1—3月為后冬。

2 結(jié)果分析

2.1 CO質(zhì)量濃度年際變化特征

2012—2017年阿克達(dá)拉大氣本底站CO年平均質(zhì)量濃度整體呈逐年減小趨勢(shì)(圖1)，變化范圍為193.6～148.3 μg/m3，6年平均質(zhì)量濃度為173.1 μg/m3，其中2012—2014年各年平均質(zhì)量濃度大于6年平均值，2015—2017年小于6年平均值。6年內(nèi)CO年平均質(zhì)量濃度最大值出現(xiàn)在2012年，最小值出現(xiàn)在2016年，最大值約為最小值的1.3倍，表明阿克達(dá)拉大氣本底站2012—2017年CO年平均質(zhì)量濃度年際波動(dòng)較大。

圖1 2012—2017年阿克達(dá)拉大氣本底站CO平均質(zhì)量濃度年際變化

2.2 CO質(zhì)量濃度季節(jié)變化特征

2012—2017年阿克達(dá)拉CO季節(jié)平均質(zhì)量濃度變化范圍為129.5～237.4 μg/m3，6年CO季節(jié)平均質(zhì)量濃度在春季至秋季期間較小且變化不大，冬季開(kāi)始迅速增大，前冬增大的速率明顯快于后冬，各季節(jié)平均質(zhì)量濃度從大到小排序?yàn)楹蠖?、前冬、春季、秋季、夏季，呈現(xiàn)冬季大、其他季節(jié)小的特征，這一特征與浙江臨安大氣本底站、瑞士Jungfraujoch 站、青海瓦里關(guān)等站略有不同[10]。2012—2017年CO季節(jié)平均質(zhì)量濃度峰值出現(xiàn)在后冬，谷值出現(xiàn)在夏季，峰值約為谷值的1.8倍，表明在6年內(nèi)阿克達(dá)拉CO季節(jié)平均質(zhì)量濃度波動(dòng)較大，冬季顯著高于其他季節(jié)。阿克達(dá)拉冬季CO質(zhì)量濃度較高，主要原因是阿勒泰地區(qū)冬季11月至翌年3月為主采暖期，這5個(gè)月的燃煤消費(fèi)大量增加，而煤不完全燃燒會(huì)產(chǎn)生大量CO。阿克達(dá)拉站不存在燃煤取暖，因此本站大氣中CO主要來(lái)自周邊城鎮(zhèn)和企業(yè)煤炭燃燒的大氣擴(kuò)散輸入，說(shuō)明了即使在阿克達(dá)拉大氣本底站這樣偏遠(yuǎn)的大氣背景區(qū)，人為污染依然貢獻(xiàn)了很大部分[11]。

2012—2017年阿克達(dá)拉本底站春季、夏季和秋季平均CO質(zhì)量濃度整體呈逐年緩慢減小趨勢(shì)，而前冬和后冬CO質(zhì)量濃度呈波動(dòng)變化，且均比春季、夏季和秋季明顯偏高(圖2)。各季節(jié)平均CO質(zhì)量濃度中，僅冬季(前冬205.6 μg/m3、后冬237.4 μg/m3)大于6年平均值(173.1 μg/m3)，其余季節(jié)小于6年平均值，進(jìn)一步說(shuō)明了阿克達(dá)拉冬季平均CO質(zhì)量濃度較高且遠(yuǎn)高于其他季節(jié)。

由表1可知，2012—2017年阿克達(dá)拉大氣本底站春季、夏季與秋季平均CO質(zhì)量濃度最大值均出現(xiàn)在2012年，最小值均出現(xiàn)在2016年，而冬季平均CO質(zhì)量濃度變化則無(wú)明顯的時(shí)間分布規(guī)律，表明阿克達(dá)拉本底站除冬季外，其他季節(jié)平均CO質(zhì)量濃度變化特征較為一致，且整體逐年減小。6年內(nèi)各季節(jié)平均CO質(zhì)量濃度最大值與最小值之比在1.2～2.0之間，夏季最大為2.0，春季與秋季均為1.5，前冬與后冬最小，均為1.2，表明夏季平均CO質(zhì)量濃度波動(dòng)較大，其次是春季與秋季，冬季波動(dòng)相對(duì)較小。季節(jié)尺度上，2012—2017年季平均CO質(zhì)量濃度最大值出現(xiàn)在2013年后冬，為272.4 μg/m3，最小值出現(xiàn)在2016年夏季，為90.6 μg/m3，最大值約為最小值的3.0倍，表明CO質(zhì)量濃度季節(jié)波動(dòng)較大。

圖2 阿克達(dá)拉大氣本底站2012—2017年各季節(jié)CO平均質(zhì)量濃度年際變化

表1 2012—2017年阿克達(dá)拉大氣本底站各季節(jié)平均CO質(zhì)量濃度最大值、最小值及其出現(xiàn)年份

2.3 CO質(zhì)量濃度月變化特征

2012—2017年阿克達(dá)拉月平均CO質(zhì)量濃度范圍為120.7～287.1 μg/m3，呈“U”型變化特征(圖3)，其中6—9月平均質(zhì)量濃度在底部波動(dòng)變化，10月后開(kāi)始逐月快速升高，1月達(dá)到峰值，隨后又逐月迅速下降，在6月出現(xiàn)谷值，峰值約為谷值的2.4倍，表明6年內(nèi)CO質(zhì)量濃度月變化較為劇烈。各月平均CO質(zhì)量濃度中，1月(287.1 μg/m3)、2月(239.2 μg/m3)、3月(198.3 μg/m3)與12月(254.6 μg/m3)大于6年平均值(173.1 μg/m3)，其余月份小于6年平均值。說(shuō)明4—11月，尤其是6—9月空氣質(zhì)量較好，6月最好；而采暖期空氣污染較為嚴(yán)重，其中1月環(huán)境空氣質(zhì)量最差，其次是12月。這種變化特征與范佳文與王紅軍[12-13]等研究得出的北方區(qū)域大氣污染物的變化特征幾乎一致。

圖3 2012—2017年阿克達(dá)拉大氣本底站CO平均質(zhì)量濃度月變化

由表2可知，2012—2017年阿克達(dá)拉大氣本底站各月平均CO質(zhì)量濃度最大值出現(xiàn)在2012年的較多，而最小值出現(xiàn)在2016年居多，尤其4—9月平均CO質(zhì)量濃度分布均表現(xiàn)出這一特征，從另一方面表明這6個(gè)月的平均CO質(zhì)量濃度變化特征幾乎一致，且整體逐年減小，其他月份CO平均質(zhì)量濃度則無(wú)明顯變化規(guī)律。6年內(nèi)各月平均CO質(zhì)量濃度最大值與最小值之比在1.2～2.3之間，7月最大，11月最小；月際尺度上，2012—2017年月平均CO質(zhì)量濃度最大值出現(xiàn)在2014年1月，為340.0 μg/m3，最小值出現(xiàn)在2016年6月，為85.6 μg/m3，最大值約為最小值的4.0倍，這也表明CO質(zhì)量濃度月變化較為劇烈。

表2 2012—2017年阿克達(dá)拉大氣本底站各月平均CO質(zhì)量濃度最大值、最小值及其出現(xiàn)年份

2.4 日平均CO質(zhì)量濃度變化特征

2012—2017年阿克達(dá)拉大氣本底站日平均CO質(zhì)量濃度大致呈“U”型變化，峰值出現(xiàn)在1月17日，該日6年平均CO質(zhì)量濃度為413.1 μg/m3，谷值出現(xiàn)在6月18日，為107.0 μg/m3，峰值約為谷值的3.9倍。日際尺度上，2012—2017年日平均CO質(zhì)量濃度最大值出現(xiàn)在2014年1月17日，為763.9 μg/m3，遠(yuǎn)低于4 000 μg/m3，表明阿克達(dá)拉6年內(nèi)日平均CO質(zhì)量濃度均達(dá)到了環(huán)境空氣質(zhì)量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[14]；最小值出現(xiàn)在2013年2月14日，為43.1 μg/m3。最大值約為最小值的17.7倍，說(shuō)明CO質(zhì)量濃度日際波動(dòng)非常劇烈。

通過(guò)分析2012—2017年逐年日平均CO質(zhì)量濃度最大值與最小值及其出現(xiàn)的日期(表3)可知，日平均CO質(zhì)量濃度最大值全部出現(xiàn)在冬季，其中有5年出現(xiàn)在后冬，1年出現(xiàn)在2013年前冬末期；最小值幾乎全部出現(xiàn)在除冬季外的其他季節(jié)，以春季和夏季居多，從側(cè)面說(shuō)明了6年內(nèi)阿克達(dá)拉日平均CO質(zhì)量濃度變化有明顯的季節(jié)性。2012—2017年各年逐日平均CO質(zhì)量濃度最大值與最小值的比值范圍較大，在3.7～15.4之間，2013年最大，為15.4，2012年最小，為3.7，進(jìn)一步說(shuō)明了阿克達(dá)拉CO質(zhì)量濃度日際波動(dòng)非常劇烈。

表3 2012—2017年阿克達(dá)拉大氣本底站逐年日平均CO質(zhì)量濃度最大值、最小值及其出現(xiàn)日期

2.5 CO質(zhì)量濃度四季日變化特征

由圖4可知，2012—2017年阿克達(dá)拉大氣本底站CO質(zhì)量濃度四季日變化特征基本一致，均為單谷型。00—14時(shí)呈波動(dòng)變化，幅度不大，且無(wú)明顯峰值，但從15時(shí)開(kāi)始迅速減小，在17時(shí)達(dá)到谷值，之后又迅速增大，在19時(shí)后又相對(duì)平穩(wěn)。阿克達(dá)拉本底站CO質(zhì)量濃度的日變化特征與龍鳳山本底站有明顯差異[15]，其主要原因是對(duì)阿克達(dá)拉而言，每天17時(shí)左右為一天中氣溫最高的時(shí)刻，此時(shí)邊界層較高，大氣垂直擴(kuò)散混合較快。此外，相對(duì)于其它時(shí)刻，午后大氣中OH自由基質(zhì)量濃度較高，因而進(jìn)一步消耗了環(huán)境中的CO，說(shuō)明阿克達(dá)拉四季CO質(zhì)量濃度日變化主要受人為排放和CO的光化學(xué)反應(yīng)等因素的影響。6年內(nèi)四季CO質(zhì)量濃度逐時(shí)平均從大到小排序?yàn)楹蠖?、前冬、春季、夏季與秋季，夏季與秋季非常接近。

圖4 2012—2017年阿克達(dá)拉大氣本底站CO質(zhì)量濃度四季日變化

3 結(jié)論

(1)阿克達(dá)拉大氣本底站2012—2017年年平均CO質(zhì)量濃度整體呈逐年減小趨勢(shì)，6年平均CO質(zhì)量濃度值為173.1 μg/m3，最大值出現(xiàn)在2012年，為193.6 μg/m3，最小值出現(xiàn)在2016年，為148.3 μg/m3。

(2)CO質(zhì)量濃度季節(jié)變化呈現(xiàn)冬季大、其他季節(jié)小的特征，從大到小排序?yàn)楹蠖?、前冬、春季、秋季、夏季，峰值出現(xiàn)在后冬，為237.4 μg/m3，谷值出現(xiàn)在夏季，為129.5 μg/m3；6年內(nèi)逐季平均CO質(zhì)量濃度最大值出現(xiàn)在2013年后冬，為272.4 μg/m3，最小值出現(xiàn)在2016年夏季，為90.6 μg/m3。

(3)月平均CO質(zhì)量濃度呈“U”型變化特征，在1月達(dá)到峰值287.1 μg/m3，6月出現(xiàn)谷值120.7 μg/m3；6年內(nèi)逐月平均CO質(zhì)量濃度最大值出現(xiàn)在2014年1月，為340.0 μg/m3，最小值出現(xiàn)在2016年6月，為85.6 μg/m3。

(4)日平均CO質(zhì)量濃度大致呈“U”型變化特征，峰值出現(xiàn)在1月17日，為413.1 μg/m3，谷值出現(xiàn)在6月18日，為107.0 μg/m3；6年內(nèi)逐日平均CO質(zhì)量濃度最大值出現(xiàn)在2014年1月17日，為763.9 μg/m3，最小值出現(xiàn)在2013年2月14日，為43.1 μg/m3。

(5)CO質(zhì)量濃度四季日變化均為單谷型，14時(shí)之前波動(dòng)不大，15時(shí)后迅速減小，17時(shí)達(dá)到谷值，之后又迅速增大，19時(shí)后相對(duì)平穩(wěn)；四季CO質(zhì)量濃度逐時(shí)平均從大到小排序?yàn)楹蠖⑶岸?、春季、夏季與秋季。

致謝：感謝原中國(guó)氣象科學(xué)院大氣探測(cè)中心林偉立老師為本文提供質(zhì)控程序！