近30年大气化学和大气环境研究回顾——纪念中国气象科学研究院成立50周年

概述了中国气象科学研究院(简称气科院)近30年来有关大气化学和大气环境研究成果。该院完成了国家自然科学基金重大项目和科技部973项目等一系列重要研究项目,做出了许多具有重大创新性的成果:在青藏高原发现“臭氧低谷”,这一重大发现列为当年中国10大科技成果之一;首次把环境、生态、气候几个重要领域进行综合研究,发现人类活动对环境造成的变化改变了生态环境状态,最终对区域气候造成影响;对北京市大气污染机理和调控原理进行了深入研究,在三维立体观测基础上,提出了点-面结合与统计-动力综合分析,地面观测-卫星遥感分析方法及模式新技术等,获取了解决大气环境领域关键技术难点的创新成果;建立了全球第一个大陆大气本底基准观象台即瓦里关本底台,开创了我国全球大气本底业务观测等。几十年来气科院大气化学研究工作几乎涵盖了当前大气化学所有重要领域及其前沿学科,其中包括温室气体、臭氧和反应性气体、气溶胶、酸雨、模式的发展及应用、空气质量预报技术和环境评价等。气科院大气化学研究工作是和中国气象局大气成分监测站网建设密不可分的,广大科研人员参加了诸如大气本底站网、酸雨站网、臭氧站网、沙尘暴站网等业务站网的建设,与此同时也构建了大气化学科研平台。

中国4个国家级野外站大气CH_4本底浓度变化特征

CH4是仅次于CO2的重要温室气体。2006年9月至2008年8月期间,按全球大气本底观测要求,在青海瓦里关、北京上甸子、浙江临安和黑龙江龙凤山4个国家级野外站开展每周一次空气样品flask瓶采样分析,获得了该地区为期2a的大气CH4本底浓度资料。结果表明,2a间瓦里关、上甸子、临安和龙凤山4站CH4浓度年均增幅分别为9.1×10-9、3.8×10-9、21.8×10-9和8.2×10-9;瓦里关站大气CH4浓度增长趋势与全球平均状况较为接近,能较好地反映北半球中高纬度内陆地区大气本底特征;但上甸子站年均本底值相对较低且季振幅偏小,而龙凤山和临安站季节变化规律相似,表现为CH4浓度冬季高而夏季偏低且季振幅较大。

2006年春季沙尘天气下背景地区大气气溶胶光学特性的观测研究

利用2006年3～5月北京上甸子本底站气溶胶细粒子（PM2．5）质量浓度、吸收和散射系数的连续观测资料，对2006年春季上甸子本底站清洁、污染输送及典型沙尘天气下气溶胶的消光特性进行了分析。结果显示：①本底站在春季清洁情况下PM2．5质量浓度、吸收和散射系数的日均值水平分别为：10μg／m^3、7Mm^-1和20Mm^-1左右，单散射反照率分布在0．71～0．78之间；此次观测到的污染输送过程中PM2．5质量浓度、吸收和散射系数平均值分别为：145μg／m^-3、44．5Mm^-1、374．3Mm^-1，单散射反照率分布在0．84～0．94之间；沙尘影响期间，PM2．5质量浓度、吸收和散射系数以及单散射反照率的测量结果分布在248．2～424．1μg／m^3、10．8～44．7Mm^-1、225．4～392．5Mm^-1和0．89～0．96之间。②观测得出，沙尘影响集中的时段细粒子质量浓度、气溶胶散射系数和气溶胶吸收系数都成倍地上升，其中质量浓度和散射系数上升的幅度要高于吸收系数。③3种天气条件的对比结果显示，受沙尘天气影响PM2．5质量浓度明显上升，且逐时波动幅度大；吸收系数远高于清洁天气下的观测结果，但比污染输送过程的测量结果偏低；散射系数同样高于清洁天气下的观测结果，与污染输送情况下的测量结果接近。沙尘天气导致颗粒物浓度明显上升，其对气溶胶粒子散射作用的贡献要大于吸收作用。

临安大气气溶胶理化特性季节变化

分别利用碳成分分析仪、离子色谱仪和原子吸收光谱仪等获取浙江省I临安地区大气气溶胶在春、夏、秋、冬四季的质量浓度、离子与碳成分特性，并对不同粒径气溶胶成分分布特点作了较详细分析。结果表明：气溶胶质量浓度、可溶性离子浓度以及碳成分浓度具有明显的季节变化趋势。整个尺度范围内，气溶胶质量浓度季节变化特点为春季浓度最高，达到534μg／m^2；冬季次之，质量浓度为117．21μg／m^3；夏季浓度最低，平均为65．7μg／m^3；秋季质量浓度98．6μg／m^3。可溶性离子成分在气溶胶中所占比例具有明显的季节性，其中夏季最高为49．4％，春季最低为11．3％。硫酸根离子SO4^2-和氨根离子NH4^＋和硝酸根离子NO3^-3种离子浓度之和约占离子总量的75％～83％。受温度影响，硝酸根离子NO3^-浓度随季节变化幅度较大，夏季平均浓度为1．7μg／m^3，冬季平均浓度为11．5μg／m^3，是夏季浓度的6．8倍。碳浓度分布特点显示，气溶胶中元素碳浓度春季最高，夏季最低。有机碳浓度春季最高，冬季最低。气溶胶粒度分布特点也非常明显。四季中粒径小于11μm（PM11）的气溶胶均占气溶胶总量的90％以上，粒径小于2．1μm（PM21）的气溶胶占到气溶胶总量的53％以上。可溶性离子在粒径小于2．1μm气溶胶颗粒中，以硫酸根离子、氨根离子和硝酸根离子为主。碳成分尺度分布特征为颗粒越小，有机碳及元素碳浓度越高。

上甸子本底站湿沉降化学成分变化与来源解析

利用上甸子本底站自1999-2004年的降水资料,对8种离子（K^＋、Na^＋、Ca^2＋、Mg^2＋、NH4^＋、SO4^2-、NO3^-、Cl^-）浓度做了统计分析,并通过PMF（positive matrix factorization）方法对该地区的湿沉降来源做了解析.结果表明,①pH分布在4.41~6.55之间,电导率分布在40.97~69.64μS.cm^-1之间.②上甸子本底站的电导率结果明显高于清洁地区降水背景点（瓦里关全球大气本底监测站）、低于北京城区的观测结果,表明降水化学成分受大气污染显著,但污染水平要低于人类活动集中的地区.③SO4^2-、NO3^-、NH4^＋、Ca^2＋是上甸子站降水样品中最主要的水溶性离子;从季节变化来看,SO4^2-离子春季最高、夏季最低,NO3^-离子冬春两季浓度水平相当,夏季略偏低,H＋离子浓度春季最低,夏秋两季相当,冬季最高.④源解析结果表明,土壤尘是上甸子本底站降水化学成分最主要的来源;与施肥有关的农田排放是本底站降水成分的另一个重要的源;此外,来自污染地区的交通运输排放和燃煤排放的输送作用同样影响着该地区降水化学成分.

2005年中国酸雨时空分布特征

根据中国气象局酸雨站网的观测资料,分析总结了2005年全国降水酸度(酸雨)的时空分布特征,包括年均降水pH值和酸雨发生频率,统计了酸雨逐月变化情况和各省酸雨总体变化趋势；将2005年全国酸雨状况与2004年的状况进行比较,结果认为,2005年全国酸雨污染形势趋于加重。另外,对近3a来部分台站降水的pH值明显降低的趋势进行了统计和分析。

北京夏季空气质量的气象指数预报

该文提出一种参数化预报方法,制作北京及其周边地区夏季空气质量气象条件指数预报。采用2000—2007年7—9月北京市观象台大气成分(PM10)逐日观测资料和华北区域气象站网加密地面观测及探空信息,分析北京地区夏季奥运会历史同期与高污染过程(PM10浓度>150μg/m3)关系密切的敏感气象要素和变量。引入适应度函数分级方法,计算北京周边不同观测站可能形成污染向北京输送的权重,建立北京夏季空气质量气象条件参数PLAM(parameters linking air-quality and meteorology)预报模型。PLAM指数给出北京局地污染气象条件的客观定量诊断和预测,并可指示周边地区有利(或不利)于污染向北京输送的强度和方位。夏季"静稳型"气象条件参数化PLAM方法为北京奥运气象保障任务实时提供预报产品,分别用PM10及可吸入颗粒物指数(API)对2008年7—8月PLAM逐日预报进行检验,相关系数达到0.001显著性水平。

近年来珠三角地区大气中痕量氟氯烃(CFCs)的浓度水平与变化特征

用预浓缩-GC/MS方法研究了珠江三角洲大气中的CCl3F、CFC-12、CFC-113和CFC-114等4种痕量氟氯烷烃气体。结果表明,2005年珠江三角洲背景点鼎湖山大气中CFC-12和CFC-11的年平均浓度高于全球本底站,说明珠三角地区还存在一定CFC-11和CFC-12的排放源;CFC-113浓度水平则与全球本底站点浓度接近,且CFC-113和CFC-114在广州城区与鼎湖山差别不显著,表明区内其排放源强度应很小。观测日内广州和鼎湖山大气中四种CFCs的日变化幅度均较小,无明显的昼夜变化规律。广州市CFCs总体呈夏秋高、冬春低的特征,与城区致冷设备高温季节使用频率较大有关;鼎湖山则呈冬春高、夏秋低的特征,主要受扩散作用和季风的影响。初步分析显示,从1997年到2005年,CFC-11、CFC-12和CFC-114浓度总体呈现先上升后缓慢降低的趋势,而CFC-113的浓度一直逐年下降。

临安和上甸子大气本底站大气中NMHCs组成与浓度的变化特征

为研究中国大气中非甲烷烃(NMHCs)区域性本底浓度与变化特征,采用吸附富集—热脱附—气相色谱法,测定了临安(30°25′N,119°44′E,海拔132.0 m)和上甸子(40°19′N,117°07′E,海拔286.5 m)大气本底站大气中NMHCs的组成与浓度。从2003年10月至2004年7月,先后按季度分4次观测与取样,共获145个有效样品。检测出C2-C10的NMHCs组分52个,其中包括26个烷烃、17个烯烃和9个芳香烃化合物。在临安和上甸子大气中非甲烷烃总烃(TNMHCs)的平均质量浓度分别为(238.5±126.0)×10-9C,(278.7±185.5)×10-9C。两站烷、烯、芳香烃在TNMHCs中所占的比例相近,分别约为21%—33%,7%—19%,54%—70%。受源、汇和气象条件的共同影响,NMHCs浓度存在明显地日变化和季节性变化,但变化趋势两地略有不同。TNMHCs平均浓度的峰值都出现在10月,谷值分别出现在1,7月。气象要素以风向和风速的影响最为明显。TNMHCs高浓度大多与上风向存在较强污染源有关。另外发现,临安TNMHCs浓度比10 a前有明显增加。

北京地区大气气溶胶光学特性及其直接辐射强迫的研究

利用2003年9月至2004年12月天空辐射计观测数据初步反演得到北京地区大气气溶胶光学特性的参数,包括:500nm大气气溶胶光学厚度,Angstrom波长指数,单次散射反照率和粒子谱分布的季节变化特征.将反演得到的结果代入辐射传输模式,计算北京地区大气层顶和地面在晴空条件下大气气溶胶的辐射强迫,并分析了其季节变化特征.

大气CO_2标准气浓度标定及采样瓶CO_2浓度分析系统

对美国NOAA/CMDL开发的用于我国大气本底监测的非色散红外CO2瓶分析和标准气标定系统做了测试与讨论,并对在青海瓦里关、浙江临安、黑龙江龙凤山和北京上甸子所采集到的实验性空气样品中的CO2浓度进行了测量,与瓦里关在线连续测量结果进行了对比,结果均表明该系统具有较高的灵敏度、精确度和较好的稳定性,具备了从进样到数据处理等较为完整的自动化功能,具有简便易行、准确可靠等特点,可用于大气CO2标准气体的标定及采样瓶分析。测量和对比结果也表明,样瓶采样和分析系统可在一定程度上替代现场连续测量系统,在不同的地点进行采样并进行集中分析也是一种较为经济、实用的方法。

中国第二次北极科学考察路线上温室气体瓶采样结果分析

用气相色谱和非红外色散分析方法,分析了中国第二次北极科学考察路线上采集到的气体样品中温室气体(CO2和CH4)的浓度,对不同纬度带上CO2和CH4平均浓度变化特征进行了研究.结果表明:海洋表面不同纬度带上CO2的浓度呈现出随纬度升高而减小的趋势,这与全球范围内CO2的年平均浓度的地理分布特征相反,显示了海洋对CO2气体的吸收作用.45°N以北的海洋表面,CH4浓度有随纬度升高而增大的趋势,这与全球范围内CH4的年平均浓度的地理分布特征相同;中纬度近海岸地区温室气体浓度变化无明显规律,可能受到区域或局地气团的影响较大.

2007年中国区域性酸雨的若干特征

基于中国气象局1993—2007年的酸雨观测站资料,着重分析了2007年中国区域酸雨的特征,并和近十几年来我国区域酸雨的变化特点进行对比。与过去十几年相比,2007年全国区域酸雨的特点如下:1)我国位于长江以南的酸雨区范围基本保持不变,但南方部分站点的酸雨强度达近十几年来的最高值;2)我国北方尤其是华北部分地区的降水酸化明显,部分省市站点的酸雨频率和强酸雨频率达近15a来的最高值;3)2003—2007年,全国年均酸雨日数和酸雨量与总降水量的比值逐年上升,且增幅较为明显。2007年全国平均酸雨日数为1993年有系统观测数据以来的最高值。

大气气溶胶变化对农业影响的研究进展

随着工业化和城市化的迅速发展,大气气溶胶含量和种类明显增加,它们通过直接吸收和反射太阳辐射以及改变其它辐射强迫因子(云、臭氧)的大小间接影响地气系统的能量收支,从而影响气候。气溶胶变化对气候的影响已有较多的研究,而对植被(农业)的影响是一个相对较新的研究领域,文章简要概述了大气气溶胶辐射强迫效应和大气气溶胶对农业的影响研究现状及国内外主要研究成果,并对气溶胶监测方法及模式评估方面可能存在的问题作了简单的分析。

城市与乡村大气中非甲烷烃(NMHCs)差异

在北京工业大学(城市点)和天津市宝邸县新安镇(乡村点)两个观测点进行了大气中非甲烷烃(NMHCs)的现场取样。从2006年4月16日至5月12日,分两批共获取约80个样本,检出55个组分,其中烷烃25个,烯烃19个,芳香烃10个。从非甲烷烃所含成分及其浓度的观测结果可见,城、乡两地大气中总烃(TNMHCs)平均浓度分别是438.1±173.1μg/m^3、193.8±184.4μg/m^3,城市是乡村的2.3倍,而TNMHCs的低值乡村只有城市的1/5。

北京地区PM_(2.5)的成分特征及来源分析

选用2003--2004年初PM25连续观测资料，统计分析了北京地区PM25的特征、PM25与PM10以及PM25与地面气象要素的相互关系。结果表明：四季中夏季PM25浓度最低，冬、春两季浓度较高。PM25与PM10比值平均为0．55，非采暖期两者比值为0．52，采暖期两者比值为0．62；夏季该比值主要分布在0．3～0．6之间，春、秋两季该比值分布在0．3～0．8之间，冬季采暖期该比值分布在0．4～0．9之间。PM2，与PM10比值日变化与气象条件日变化、人们日常生活习惯密切相关，沙尘天气和交通运输高峰期扬起地面粗颗粒物会导致PM2，在PM10中的比例下降，而冬季取暖以及夏季光化学反应则会引起PM25的比例升高。PM25的浓度与地面气象要素中本站气压、相对湿度和风速有很好的的相关性，与气温的相关性较差。SO4^2-，NO3^-和NH4^＋为北京地区PM25中主要离子。PMF源解析方法确定了北京地区5类细粒子污染源，分别是：土壤尘、煤燃烧、交通运输、海洋气溶胶以及钢铁工业。

电导率加和性质及其在酸雨观测数据质量评估中的应用

大气降水中离子成分的电导率具有可加和性,国际上已经普遍应用该原理对大气降水离子成分观测的数据质量进行分析和评估,即所谓的相对电导率差(conductance percent difference,CPD)方法。该文应用CPD方法对我国4个大气本底观测站的电导率和降水离子成分数据进行了数据质量分析,针对我国的降水电导率范围偏高等特点,对国外推荐的CPD统计检验指标的适用性进行了讨论,指出在我国应用CPD方法时宜采取pH值分组的方式,并根据这种分组方式的统计分析,估计4个大气本底观测站的部分pH值观测数据可能存在-0.05左右的测量误差。该文还依据降水中离子成分电导率的可加和性原理,提出K-pH不等式方法,可以用于中国气象局酸雨观测站网的pH值和电导率数据的现场校验和数据质量的分析评估。应用K-pH不等式方法对观测数据进行现场质量检验时,对pH值小于5.0范围的酸性降水效果尤其显著。应用K-pH不等式方法对1992—2005年间全国酸雨观测站观测数据的统计分析显示,部分酸雨观测站的pH值测量数据可能存在-0.1^-0.3左右的系统性负偏差。

我国温室气体本底浓度网络化观测的初步结果

CO2和CH4是《京都议定书》限排的主要温室气体。自1990年以来的长期观测表明,我国青海瓦里关全球本底站大气CO2和CH4浓度与北半球中纬度地区其他一些本底站的同期观测结果具有可比性,观测数据已成为WMO全球温室气体公报及国内外有关评估报告的重要参考依据;我国4个区域本底站过去一年来的采样分析结果显示:北京上甸子、浙江临安、黑龙江龙凤山、湖北金沙大气CO2和CH4浓度明显高于同期瓦里关站的观测值,表明4个区域站大气CO2和CH4受自然及人为活动的影响较大。迄今为止,国内相关部门通过多种方式开展了温室气体浓度长期观测或短期科研,各具优势和特点,但力量相对分散、观测站稀少、侧重点和目标各异。为了全面掌握我国温室气体本底浓度时空变化,了解不同区域大气受自然和人为活动影响的程度,亟需相关部门分工协作、优势互补、资源共享,尽快推进我国温室气体及相关微量成分的网络化观测分析和源汇反演模式系统建设,进而测算、验证不同区域温室气体排放源和吸收汇的动态变化,分析、评估各区域之间的输送和影响,为我国应对气候变化的内政、外交提供决策支持。

气相色谱-电子捕获检测法在线观测12种卤代温室气体

利用自组装的气相色谱仪-电子捕获检测器系统(GC-ECD)测定大气中12种卤代温室气体,空气样品采样的时间分辨率80min,分析精度0.16%—4.87%,准确度-1.64%—3.05%.对2007年4月6日—2007年4月16日在北京上甸子站的观测结果进行分析,获得12种卤代温室气体的本底和非本底浓度,表明该系统适用于大气中卤代温室气体浓度在线观测。

全国酸雨观测网未知水样考核结果的统计分析

应用客观统计方法,整理分析了1992年以来全国酸雨观测站网的11次pH未知水样和2次电导率未知水样的考核结果。分析显示,采用稀释和pH调制的标准缓冲溶液作为pH未知水样,其测量偏差随pH标准值的变化不显著,历年的测量标准差均小于0.2pH单位。pH未知水样测量偏差的波动状况指示出观测台站仪器和人员的技术状态变化,对仪器更新、人员培训以及新业务规范的执行等业务建设和质量管理活动有显著的正面响应。对pH未知水样测量偏差的统计还显示,2001年后pH平均测量偏差出现负偏态分布特征,该特征在总体偏差较大时尤为明显,说明部分技术状态不良的台站往往容易出现较大的系统性负偏差。根据考核结果,按照世界气象组织(WMO)推荐的方法,计算除1992年外各次考核的pH值测量的修正绝对中值偏差为0.03～0.10pH单位,1992年和2006年电导率测量的修正绝对中值偏差为4%～5%。修正绝对中值偏差的逐年波动情况反映了全国酸雨观测网pH测量的总体偏差也明显地受台站技术状态波动的影响。