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目 录

摘要 I

1 引 言 1

2 材料与方法 3

2.1 试验方法 3

2.2 观测仪器 3

2.3 数据预处理 4

2.4 大气边界层收支方法 4

3 结果与分析 5

3.1 南京市主城区CH₄浓度的时空分布特征 5

3.2 南京市主城区CH₄通量各分项的变化特征 7

3.2.1 平流项的变化特征 7

3.2.2 局地项的变化特征 7

3.2.3 夹卷项的变化特征 8

3.3 南京市主城区CH₄净通量的变化特征 8

3.3.1 CH₄净通量的变化特征 8

3.3.2 不同时段CH₄净通量的主要影响项 9

3.4 南京市主城区的CH₄净排放量 10

4 结论 10

参考文献 11

致谢 14

南京市主城区CH₄通量变化特征观测分析

刘伟

, China

Abstract:With the rapid development of the urbanization of China, the CH₄ emission of city has began to draw the attention of the researchers. This paper uses the observational data of CH₄ concentration in the main districts of Nanjing and analyzes the change characteristics of CH₄ flux based on . The results are as follows: 1) The distribution of CH₄ concentration can be influenced by wind speed and direction; the thickness of mixed layer has an effect on CH₄ concentration ; heavy traffic can make it rise;2) In the morning, advection term and local changes are the most critical influences on the net fluxes of CH₄; In the afternoon, the most important influence factor is advection term; At evening, the influence factors are the same as that in the morning; During the observation period, the heavy wind speed at night leads to the rise of the share of advection term;3) In the main districts of Nanjing, the net fluxes of CH₄ can attain 0.001346 mg•m²•s^-1 and the annual emission can reach 14.30Gg.

Key Words: CH₄ flux, budget equations of boundary layer, daily variation，weekly variation

1 引 言

甲烷（CH₄）是一种全球增温潜势仅次于二氧化碳的温室气体^[1]，是《京都议定书》中确定的6种重要的温室气体之一。近年来，大气中的CH₄浓度增长迅速。据统计，全球大气中CH₄的平均浓度从1750年的700ppb增加到了1998年的1745ppb，2010年再次增加到了1808ppb^[2]，远远高于CO₂浓度的增幅，且增势仍然迅猛^[3-4]，不可忽视。

CH₄占全球人为温室气体排放总量的4.3%^[5]，仅考虑CO₂排放已不能完全代表温室气体排放情况^[6]。其次，CH₄在大气中的浓度比CO₂要低得多，所以其排放量的增加极易引起大气中CH₄浓度的大幅度升高^[7]。再者，CH₄在大气中的存在寿命一般为12-17年^[8]，要比CO₂的存在时间（50-200年）短得多，减缓CH₄排放将会对大气中CH₄的减少产生立竿见影的效果。更为重要的是，人为排放量占总排放量的比例与CO₂相比要大得多^[9]，故而控制CH₄排放量对减缓日益加剧的温室效应有着重要意义。

通过人类活动所排放的CH₄比自然界中排放的要多得多。据估计，全球每年通过人类活动所排放的CH₄总量为375 Mt，是自然界排放的CH₄总量的2倍多^[10]。其中，通过煤炭开采、污水处理、汽车尾气、固体废物堆存、反刍家畜饲养、水稻种植以及生物质燃烧等人类活动排放的CH₄约占全球年CH₄排放总量的70%^[8]。

城市虽然与煤炭开采、水稻种植、湿地湖泊等传统CH₄排放源相比，它的排放量较小^[11-12]。但是，随着我国城市化水平不断提高，城市人口不断增加，城市CH₄排放已经成为温室气体排放方面一个不能忽视的源。城市中的各种CH₄排放源，例如废弃物处理，生产生活垃圾，汽车尾气，以及下水道中的CH₄排放量越来越大，城市生活垃圾的CH₄排放量仅次于稻田的CH₄排放量^[13-16]。以城市废弃物处理为例，2004年城市废弃物处理（包括垃圾填埋和废水处理）的CH₄排放占全球温室气体排放的2.8%，2010年全球废弃物处理CH₄排放占全球温室气体排放的4%。垃圾填埋和废水处理的CH₄排放量大致相当，都占废弃物处理的一半左右，全球垃圾填埋场CH₄排放量增长速度很快，从1970年的1650万t，增长至2008年的2950万t，增长了78.79%^[17]。因此，城市减排是建设低碳经济和绿色经济的工作重点，而城市CH₄排放强度的准确评估就显得十分重要。

目前，国内外学者已经对CH₄浓度和CH₄排放源进行了大量的观测和研究。IPCC排放清单方法是目前国内外估算温室气体排放量的主要方法。目前国内外进行的CH₄排放量的估算大多应用这种方法，它通过给各种类别的排放源制定不同的排放系数，统计CH₄的年排放量。郑思伟等^[18]利用IPCC排放清单方法中的质量平衡法估算了杭州市区固体废弃物填埋处理CH₄排放量，估算结果为2005-2008年逐年增加，2008-2010年保持平稳在7.8万t左右。高庆先、杜吴鹏^[19]采用了IPCC排放清单方法中的缺省法估算了2004年中国各省区以及总的CH₄排放量，并且分析了 CH₄排放量的空间分布和时间演变特征。徐思源等^[12]利用IPCC排放清单方法中的基于动力模型的一阶衰减方法估算了2007年为基准年的重庆市直辖十年以来因城市生活垃圾产生的CH₄排放量。

但是IPCC排放清单方法是为计算国家排放量而设计。在城市尺度上，它的排放系数具有非常大的不确定性。以城市生活垃圾为例：不同的城市，由于气候条件、人口的差异以及生活方式和发达程度的不同，使得城市生活垃圾的成分差别很大。以欧美与我国为例，我国生活垃圾中食物残余与纸、纸制品的比重分别为60%与10%，而发达国家则为45%与15%^[20]，食物残余产生CH₄的能力更强；其次，欧美城市处理城市生活垃圾的方式多为焚烧，而我国采用填埋场填埋的方式，CH₄产量要比前者更大。基于这些因素，导致不同的城市的排放系数有很大的差异，一个城市的排放系数不能直接应用到另一个城市的CH₄排放量估算，从而导致用这种方法估算不同城市的CH₄排放量以及年际变化不够准确。而且，我国城市的概念是“广义”的，既包括“狭义”城市也包括周遭郊区及农村，绝大多数统计资料覆盖整个行政区域，缺乏城市与周边郊区、乡村的水平通量数据，因而无法真正反映出“狭义”城市的CH₄排放特征。

涡度相关法是目前温室气体通量的主要观测方法。目前国内外开展了很多涡度相关方法的温室气体通量的研究。比如，贾庆宇等^[21]利用涡度相关法计算出辽河三角州地区稻田的CH₄通量为0.08 μmol·m^-2·s^-1。王婧^[22]利用涡度相关法对科尔沁-草甸地通量的水热通量变化特征进行了研究。何奇瑾^[23]利用涡度相关法对盘锦芦苇湿地碳通量变化特征进行了分析。该方法最大优势在于可以实施长期的、连续的和非破坏性的定点监测。但是涡度相关方法需要满足两个前提条件：一是测量高度要求为下垫面高度的两倍以上；二是通量贡献区的下垫面必须均一。受城市建筑规范的限制，建立满足第一个条件的高塔很难实现。第二个条件在城市（尤其是市中心）也很难满足。因此，利用该方法研究城市尺度的CH₄排放强度具有很大的局限性^[24]。

大气边界层收支方法是以大气边界层收支方程为基础，即以大气边界层内温室气体浓度的时间变化、平流和垂直输送来计算景观尺度上的温室气体通量（Helliker et al., 2004; Pattey et al., 2002）。大中城市的空间尺度与景观尺度相匹配，因此大气边界层收支方法可能是确定城市CH₄通量的解决途径之一。箱式模型就是此法的应用典型，国内目前多采用此法估算城市污染物的排放与扩散，进行大气环境质量评估。比如，吴转璋等^[25]利用以三维箱体模型和高斯模型对合肥市大气中的SO₂、NO₂、PM10的浓度进行了估算，对合肥大气质量做出了评价。王亚芝等^[26]利用三维箱体模型对石家庄市大气中的SO₂通量进行了研究。与涡度相关方法的对比结果显示，大气边界层收支方法不仅能达到和涡度相关系统接近的观测精度，还能避免夜间湍流强度较弱时涡度相关方法的低估现象。但是该方法从未被用于城市CH₄通量的研究，而且还存在着两个重要的问题：其一是如何准确计算城市边界层CH₄收支方程的平流项；其二是城市边界层和自由大气之间的夹卷速度还是未知数。

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