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目 录

1引言 1

1.1研究目的和意义 1

1.2国内外研究进展 1

2研究资料和方法 2

3大气气溶胶痕量气体分析 2

3.1痕量气体浓度日变化 2

3.2痕量气体浓度月变化 3

3.3痕量气体浓度季节变化 5

4痕量气体气象因素相关性关系 6

4.1气象因素日变化 6

4.2相关性分析 7

5结论 10

参考文献 11

致谢 13

南京地区痕量气体质量浓度特性研究

摘要 ：本文利用2015年1月1日-12月31日南京地区逐时的痕量气体质量浓度观测资料，研究了南京地区痕量气体质量浓度的日、月、季节变化特征跟温度、相对湿度、风级两者间的相关性联系。研究表明:(1) CO浓度日平均值为0.97μg/m³，且呈单峰-单谷值变化趋势，在9时浓度达到了峰值为1.09μg/m³，SO₂浓度日平均值为18.5mg/m³，在10时浓度达到了峰值为23 mg/m³，O₃浓度日平均值为59.25mg/m³，在15时浓度达到了峰值为105 mg/m³，NO₂浓度日平均值为49.13μg/m³，在21时浓度达到了最大峰值为62μg/m³;(2) CO质量浓度主要集中在秋季和冬季，SO2、NO2质量含量主要集中在春季、秋季、冬季，O₃质量含量主要集中在春季、夏季、秋季;(3) CO浓度在冬季最高，且主要集中在8-12时，SO₂浓度在冬季最高，尤其是1月份浓度达到了最高值，且主要集中在9-15时，O₃浓度在夏季最高，在8月份浓度达到了最高值，且四个季节O₃浓度均集中在10-21时;(4) CO浓度和温度与风级之间存在负相关性关系，和相对湿度之间存在正相关性联系，SO₂浓度与温度以及相对湿度之间的关系性较小，与风级之间存在较低的负相关性, O₃浓度与温度、风级之间存在高度的正相关性关系，跟相对湿度两者间具有较好的负相关性, NO₂浓度与气温、风级两者间具有负相关性，且与相对湿度之间存在正相关性。

关键词：痕量气体；质量浓度；日变化；季节变化；气象因素

Characterizing mass concentrations of trace gases over Nanjing

Abstract: In this paper, we use hourly trace-gas data over Nanjing from January (1st), 2015 to December (31st), 2015. The diurnal, monthly, and seasonal variations of mass concentrations of trace gases are studied, as well as their dependencies with the temperature, relative humidity, and wind. It is shown that: (1) The daily average mass concentration of CO is 0.97μg / m³, and it has a diurnal variation with a peak of 1.09 μg/m³ at 9 a.m. The SO₂ has a daily average concentration of 18.5 mg/m³, with a peak of 23 mg/m³ at 10 a.m. The O₃ gas has a daily average concentration of 59.25 mg/m³, reaching a peak of 105 mg/m³ at 3 p.m. The NO₂ has a daily average concentration of 49.13 μg/m³, with a peak of 62 μg/m³ at 9 p.m.; (2) For the seasonal variation, the concentration of CO is higher in autumn and winter, while SO₂ and NO₂ are higher in the spring, fall and winter, with O₃ higher in spring, summer and autumn; (3) The mass concentrations of CO, SO₂ and NO₂ are highest in winter, while O3 is highest in summer. (4) The CO concentration has a negative correlation with the temperature and wind, and a positive correlation with relative humidity. The SO₂ has a relatively poor relationship with the temperature and relative humidity, and a negative relationship with wind scale. The O₃ concentration has a high positive correlation with wind scale and temperature, and a high negative correlation with relative humidity. The NO₂ concentration has a negative correlation with wind scale and temperature. In addition, a positive correlation between relative humidity and NO₂ concentration is also found.

Keywords: trace gases; mass concentration; diurnal variation; seasonal variations; meteorological factor 

1引言

1.1研究目的和意义

自从进入工农业社会以后，人类活动及自然源排放导致的大气污染物严重威胁着人类的健康及地球大气的环境。当前工农业化石燃料的燃烧及燃煤对大气化学组成部分以及全球气候变暖的影响已经成为人们所关注的全球性问题。大气中的痕量气体是指大气中气体的质量浓度低于10^-6的微量气体，自然界中大部分痕量气体的含量还是非常低，而且主要受人类活动的影响，存在大气中的寿命时间较短，并且具有很强的化学性，能够极其参与大气中的一些化学过程，我们从大的时间和空间尺度来分析这些气体，发现该气体与周围区域的城市及郊区的污染状况密切相关，当地的气候条件也是影响大气最重要的因素之一，尤其是地面O₃的形成和变化更具有一定的影响性。大气中的痕量气体主要来源于化石燃料的燃烧、工农业的排放、土地利用变化、微生物呼吸、各种生物厌氧过程以及燃烧和能源开采过程。而O₃是基于碳氢化合物和氮氧化物的混合的气体，主要是是通过太阳辐射，这两种污染物的光化学反应，是一个非常高的化学氧化剂，也是造成温室气体之一。

我国科学家从1994年8月至1995年8月在龙凤山、临安区域大气污染本底监测站和瓦里关大气本底基准观象台首次进行了长期的连续观测,以了解中国清洁地区地面O₃及其前体物的分布特征^[1-3]，1998～2000年在主要的经济发达地区长江三角洲开展了大规模的对近地面O₃、NOx、CO、SO₂痕量气体的综合观测实验^[4-5]。有关北京地区O₃的垂直水平分布特征、前体物、反应性气体和光化学特征等也进行了研究^[6-9]。King^[10]和Kaplan^[11]分别于1956年和1959年提出卫星红外大气探测原理,据此美国于上世纪七十年代设计了高分辨率红外探测器(HIRS),成为卫星遥感用于大气探测业务化的标志。随着现代传感器技术的发展，光谱分辨率也越来越高，传感器的探测能力突飞猛进。

随着社会的发展和人口聚集的普遍增加，低层大气中的痕量气体也随着大气中自然源排放物的增加而每年逐渐增加。大气中的痕量气体CO、SO₂、O₃、NO等虽然不能直接形成温室气体、酸雨等，但这些痕量颗粒受到物理、化学以及生物过程的作用并参与了大气中的各种化学循环过程，对全球大气环境、生态环境及气候变化产生了重大的影响(如化学烟雾、温室气体、臭氧层破坏、对流层的形成及CH₄寿命的改变都具有很大的影响)，从而进一步对空气的质量及气候变化产生影响，这些均离不开大气中的痕量气体。

大气中的痕量气体主要来源于自然源，人类活动的影响和各种物理和化学效应，时空分布特征的差异性，对全球性和区域气候条件变化和环境造成不相同程度的影响，以及当今的气候变化已经成为国家和政府最重视的问题。所以全球气候变化的监测与分析不仅仅涉及到国民的健康生活、还有经济社会可持续发展的技术问题，而且还涉及到国家安全和国际外交的政治问题、经济问题。

1.2国内外研究进展

到目前为止，监测全球和区域范围大气中的痕量气体最有效的方法是空间遥感技术手段，国内外科学家对痕量气体进行了天基监测并进一步提出了监测发展计划。国外的监测痕量气体的遥感探测仪器，大气制图扫描成像吸收光谱仪(SCIAMACHY)搭载于欧州航空局 2002年3月成功发射的一颗欧洲环境卫星ENVISAT 上，是8通道光栅式光谱仪，用于研究同温层臭氧损失和对流层空气质量^[3-5]。欧美等发达国家非常重视空间遥感大气痕量气体临边探测仪的研究，并且取得了大量的研究成果。

目前，世界各地的地面环境监测站提供痕量气体的时间和空间分布特征的信息。利用全国空气质量监测网站所得到的数据，虽然数据的可信度比较高、而且采取的渠道方便，能够及时采取更多的数据资料。但这种方法也未必存在缺点。随着科学技术的发展，空间遥感技术目前成为环境监测和天气预报的最重要的手段。

红外传感器主要用于大气中二氧化碳浓度和水蒸气的检测，检索大气温度和湿度廓线，随着传感器技术的发展和大气反演理论的遥感和完善，以及人类迫切需要了解大气环境的需求，红外传感器开始探测大气中的痕量气体。

1996年发射升空的搭载先进对地观测平台(ADEOS)的温室气体干涉测量计(IMG)是第一个采用天底观测方式进行痕量气体探测的星载高光谱FTIR传感器^[12]。IMG传感器是由日本的资源观测系统组织(JAROS)主要负责研制的,搭载ADEOS平台于1996年8月发射升空，由于当时的太阳能的原因，后面就结束了使命。主要探测的任务是，进一步精确测定地球表面的温度；大气组成部分的各种气体还有大气温度廓线。

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