CO2、CH4浓度变化周期分析

福建省武夷山大气背景值监测站 苏彬彬



CO2、CH4浓度变化周期分析

福建省武夷山大气背景值监测站 苏彬彬

利用傅立叶波谱分析方法对武夷山大气背景值监测站摩天岭点位CO2、CH4一周连续小时均值数据进行谐波分析。结果表明：该背景点CO2和CH4都存在一定的变化周期，CO2主要是以12小时为周期的局地变化为主，以3.5天为周期的区域大尺度环流影响变化为其次；CH4以24小时为周期的局地变化为主。二者均以自然过程的影响变化为主，并体现区域大尺度环流影响，证明了该点位作为华东区域背景点的可能性。

傅立叶波谱分析 变化周期 大气背景值 监测

武夷山大气背景值监测站将点位设在武夷山自然保护区摩天岭，该点位海拔948米，周边自然生态良好，森林覆盖率达95.3％，其地理位置及周边大气环境代表了华东区域的大气背景状况。二氧化碳和甲烷是造成温室效应的重要温室气体。为了评价该背景点CO2、CH4受大尺度环流和局地影响的变化状况，现采用傅立叶分解波谱，取2009年5月的一周连续小时均值数据进行分析，确定二者的变化周期及受影响状况，证明其作为大气背景值监测点的优越性。

1 分析方法简介

对某一监测要素的时间系列,它由一系列监测数据组成。对这一时间系列使用傅立叶函数进行谐波分析，可以分解为一系列的正弦波。通常这些正弦波有各种周期波动，它们是相互正交的，即各不相关。最长的周期等于系列的长度，这个正弦波称为基波，对应的周期称为基本周期。其余各正弦波称为谐波，它们的周期分别是基本周期的1/2，1/3，1/4，…，最短的周期为时间间隔长度的2倍。衡量某个谐波的重要性，可以用相对贡献来衡量。通过统计各周期谐波的贡献率以确定影响大小，并通过波谱分解掌握各周期波谱所具有的波动能量，以直观的显现影响大小。

2 数据综合分析方法

取CO2和CH42009年5月的一周连续小时均值数据进行傅立叶波谱分析。二者合成波复原率在95％～105％间的比例分别为97％和98％，分析结果准确、有效，见表1。

表1 固定参数一览表

2.1 二氧化碳傅立叶波谱分析

对二氧化碳小时均值进行谐波分析，各波贡献率的统计结果见表2。由各波的贡献率大小发现：波数为2和14的谐波贡献较大；即以12小时为周期的变化为主，以3.5天为周期的变化为其次；其它周期变化的贡献都较小。上述结果显示，该点位二氧化碳的变化主要是以12小时为周期的局地日变化为主，以星期为周期的大尺度影响为其次，反映了白天植物光合作用消耗二氧化碳浓度降低，以及晚上动、植物呼吸作用二氧化碳浓度升高，并略微受长距离污染源影响变化的规律。各谐波贡献率见图1，峰值越高，贡献越大；波谱分解示意图见图2，波的振幅越大，影响越大，见表2。

表2 各波贡献率统计表

图1 CO2各谐波贡献率示意图

图2 CO2傅立叶波谱分解示意图

2.2 甲烷傅立叶波谱分析

对甲烷连续一周小时均值数据进行谐波分析，各波贡献率的统计结果见表3。由各波的贡献率大小发现：波数为7的谐波贡献最大，即周期为24小时的变化占主要部分，其它周期变化的贡献都较小。上述结果显示，该点位甲烷的变化主要是以24小时为周期的局地日变化为主，反映了白天植物和落叶随着温度和日照的增强，甲烷生成量增加而浓度升高，以及晚上随着温度降低、日照消失，甲烷浓度下降的规律。各谐波贡献率见图3，峰值越高，贡献越大；波谱分解示意图见图4，振幅越大，影响越大。见表3。

表3 各波贡献率统计表

图3 CH4各谐波贡献率示意图

图4 CH4傅立叶波谱分解示意图

3 结论

3.1武夷山大气背景值监测站摩天岭点位CO2的变化主要是以12小时为周期的局地变化为主，以3.5天为周期的区域大尺度环流影响变化为其次。反映了白天植物光合作用消耗CO2浓度降低，以及晚上动植物呼吸作用CO2浓度升高，并略微受长距离污染源影响变化的规律。

3.2CH4的变化主要是24小时为周期的局地变化为主。反映了白天落叶随着温度和日照的增强，甲烷生成量增加而浓度升高，以及晚上随着温度降低、日照消失，甲烷浓度下降的规律。

3.3摩天岭点位自然生态良好，点位周边森林覆盖率高，且无污染源，二氧化碳及甲烷均以自然过程的局地影响变化为主，并体现区域大尺度环流影响，证明了其作为华东区域大气背景值监测点的优越性。