Picarro G2401 | 穿越秦嶺的氣體偵探：追蹤大氣甲烷的時(shí)空之旅
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2024.120786
引言
作為人為甲烷排放的重要排放國(guó)，中國(guó)氣象局（CMA）已經(jīng)建立了許多WMO/GAW全球和區(qū)域溫室氣體本底站，用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)甲烷動(dòng)態(tài)。然而，這些觀測(cè)主要關(guān)注近地面層，中國(guó)垂直甲烷測(cè)量的可用性相對(duì)有限，尤其是在一些關(guān)鍵站點(diǎn)。大氣甲烷空間分布的不確定性是阻礙準(zhǔn)確估計(jì)區(qū)域甲烷排放的關(guān)鍵問(wèn)題之一。
為了全面了解區(qū)域甲烷動(dòng)態(tài)和來(lái)源，并評(píng)估大氣甲烷的垂直變化以及氣團(tuán)傳輸?shù)挠绊?，有必要進(jìn)行大氣甲烷的現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間和垂直廓線聯(lián)合測(cè)量。無(wú)人機(jī)（UAV）的使用已成為垂直氣體觀測(cè)的補(bǔ)充方式，由于其操作簡(jiǎn)單、移動(dòng)靈活、可控制懸停位置和成本低等優(yōu)勢(shì)，使得在高塔不易到達(dá)的高度進(jìn)行甲烷測(cè)量成為可能。這些觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)于準(zhǔn)確反演區(qū)域甲烷排放和校準(zhǔn)及驗(yàn)證衛(wèi)星測(cè)量至關(guān)重要。
測(cè)量方法
大氣甲烷的垂直廓線在關(guān)中平原地區(qū)的國(guó)家區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化觀測(cè)研究站進(jìn)行，地處陜西省秦嶺北麓。該站點(diǎn)位于西安市區(qū)西南方約50公里處，周邊沒(méi)有重大工業(yè)活動(dòng)。
環(huán)境空氣樣本通過(guò)氣體采樣口輸送到溫室氣體在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)，入口位于塔高20米處。選擇這個(gè)高度進(jìn)行采樣有助于獲得混合良好的環(huán)境空氣，減少局部排放和自然源匯的影響。觀測(cè)期從2021年3月持續(xù)到2023年2月，空氣樣本經(jīng)過(guò)一系列處理，包括壓力和流量控制、使用冷凝設(shè)備進(jìn)行干燥、使用PTFE濾膜過(guò)濾，最后使用Picarro G2401測(cè)量CO2、CH4和CO氣體的濃度。氣體分析儀每月校準(zhǔn)，使用可溯源至WMO的高、低兩種濃度的混合標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行。對(duì)地表風(fēng)測(cè)量用于確定觀測(cè)站點(diǎn)可能的甲烷排放源（例如，本地排放、區(qū)域傳輸）。
西安秦嶺北麓地區(qū)大氣甲烷觀測(cè)站點(diǎn)位置示意圖
除此以外，還在觀測(cè)站點(diǎn)使用了無(wú)人機(jī)收集2000米高空的空氣樣本，采樣器包括空氣泵和遙控單元，固定在無(wú)人機(jī)的起落架上，空氣入口位于無(wú)人機(jī)上方0.5米處，以減輕無(wú)人機(jī)旋翼引起的空氣湍流影響。無(wú)人機(jī)攜帶多個(gè)采樣袋，在無(wú)人機(jī)從地面上升到預(yù)定采樣高度的過(guò)程中，通過(guò)空氣入口將空氣泵入5 L的鋁制空氣采樣袋大約20 秒。采樣過(guò)程完成，就關(guān)閉空氣采樣袋另一側(cè)的單向閥。隨后，無(wú)人機(jī)繼續(xù)上升，并在不同高度收集空氣樣本。完成所有高度的采樣后，無(wú)人機(jī)迅速下降。著陸后，空氣采樣袋立即送到實(shí)驗(yàn)室中，使用Picarro G2401進(jìn)行分析。
結(jié)果與討論
季節(jié)性變化
冬季甲烷濃度最高，平均達(dá)到2177.6±121.5 ppb，而夏季濃度最低，為2079.1±77.6 ppb。這種季節(jié)性變化主要受到溫度和光化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度的影響。冬季，由于溫度較低，大氣中的OH自由基濃度下降，導(dǎo)致甲烷的化學(xué)消耗減少，從而使得甲烷濃度增加。此外，冬季人類活動(dòng)如供暖等也會(huì)增加甲烷的排放。相反，在夏季，較高的溫度和較強(qiáng)的光化學(xué)反應(yīng)加速了甲烷的消耗，導(dǎo)致甲烷濃度相對(duì)較低。
在冬季，我們觀察到甲烷濃度的顯著增加，這可能與冬季采暖期的能源消耗增加有關(guān)。家庭和工業(yè)供暖的增加導(dǎo)致了化石燃料的燃燒，從而增加了甲烷的排放。此外，冬季較低的氣溫也減緩了大氣中甲烷的光化學(xué)氧化過(guò)程，使得甲烷在大氣中的停留時(shí)間變長(zhǎng)，進(jìn)一步推高了甲烷的濃度。
秦嶺北麓大氣甲烷的季節(jié)性變化模式
日變化
甲烷濃度在上午10:00至11:00達(dá)到峰值，這與交通高峰時(shí)段的人類活動(dòng)密切相關(guān)。在這一時(shí)段，車輛排放和工業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生的甲烷迅速累積，加之較低的風(fēng)速不利于污染物的擴(kuò)散，共同導(dǎo)致了甲烷濃度的峰值。此外，中午時(shí)分，由于太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)，大氣邊界層的發(fā)展有利于污染物的垂直擴(kuò)散，使得甲烷濃度有所下降。
在日變化的分析中，我們注意到在早晨和傍晚，甲烷濃度也出現(xiàn)了小幅度的增加。這可能與早晚高峰時(shí)段的交通流量增加有關(guān)，同時(shí)也可能受到烹飪活動(dòng)的影響。在這些時(shí)段，家庭烹飪活動(dòng)的增加導(dǎo)致了更多的甲烷排放，尤其是在使用天然氣作為烹飪能源的地區(qū)。
秦嶺北麓地區(qū)大氣甲烷的日變化特征
垂直分布
在非供暖期，甲烷濃度在垂直方向上的變化相對(duì)較小，表明在這一時(shí)期，大氣混合較為均勻。然而，在供暖期間，尤其是在霧霾事件期間，我們觀察到甲烷濃度在垂直方向上出現(xiàn)了顯著的變化。在200米以下，甲烷濃度顯著增加，這可能與供暖期間增加的人類活動(dòng)和不利的大氣擴(kuò)散條件有關(guān)。在500米至1000米的高度范圍內(nèi)，甲烷濃度下降最快，這可能是由于這一高度范圍內(nèi)大氣混合較為劇烈，有利于甲烷的稀釋和擴(kuò)散。
在垂直分布的分析中，我們特別關(guān)注了供暖期和非供暖期的差異。在供暖期，由于燃煤供暖和家庭取暖的增加，我們觀察到近地面層（特別是200米以下）甲烷濃度的顯著增加。這一現(xiàn)象在供暖期的早晨和傍晚尤為明顯，與供暖活動(dòng)的高峰時(shí)段相吻合。此外，我們發(fā)現(xiàn)在霧霾事件期間，甲烷濃度的垂直分布受到顯著影響，低層大氣中的甲烷濃度增加，而高層大氣中的甲烷濃度則有所下降。
秦嶺北麓地區(qū)大氣甲烷的垂直分布及其時(shí)間變化
影響因素
通過(guò)雙變量極坐標(biāo)圖分析，我們發(fā)現(xiàn)風(fēng)速和風(fēng)向?qū)淄闈舛扔酗@著影響。在風(fēng)速較低時(shí)，甲烷濃度傾向于增加，這表明在靜穩(wěn)天氣條件下，本地排放源對(duì)甲烷濃度的貢獻(xiàn)更為顯著。相反，在風(fēng)速較高時(shí)，甲烷濃度下降，這可能是由于較強(qiáng)的風(fēng)力促進(jìn)了污染物的擴(kuò)散。此外，風(fēng)向也對(duì)甲烷濃度有重要影響，來(lái)自不同方向的氣流攜帶著不同區(qū)域的污染物，影響了觀測(cè)站點(diǎn)的甲烷濃度。
在風(fēng)向分析中，我們注意到來(lái)自工業(yè)區(qū)和城市中心的風(fēng)向與甲烷濃度的增加有關(guān)。這表明人類活動(dòng)，尤其是工業(yè)和交通排放，是影響甲烷濃度的重要因素。同時(shí)，我們也觀察到在某些風(fēng)向下，甲烷濃度的增加可能與區(qū)域傳輸有關(guān)，這表明除了本地排放外，來(lái)自遠(yuǎn)處的污染物傳輸也對(duì)甲烷濃度有顯著影響。
秦嶺北麓地區(qū)大氣甲烷的垂直分布及其時(shí)間變化
結(jié)論
研究通過(guò)在中國(guó)秦嶺北麓地區(qū)進(jìn)行為期兩年的連續(xù)觀測(cè)，深入分析了大氣甲烷的時(shí)空分布特征。觀測(cè)結(jié)果顯示，大氣甲烷濃度具有明顯的季節(jié)性變化，冬季達(dá)到峰值，夏季則相對(duì)較低，這與溫度、光化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度以及人類活動(dòng)等因素密切相關(guān)。日變化分析表明，甲烷濃度在上午10:00至11:00達(dá)到最高，與交通和工業(yè)活動(dòng)的高峰期相吻合。垂直分布特征揭示了供暖期間低層大氣中甲烷濃度的顯著增加，特別是在200米以下的高度，這可能與供暖活動(dòng)和不利的大氣擴(kuò)散條件有關(guān)。研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了人類活動(dòng)對(duì)大氣甲烷濃度變化的影響，為制定有效的環(huán)境管理策略和溫室氣體減排措施提供了科學(xué)依據(jù)。
