1994—2010年东亚地区CO2浓度变化特征及成因分析

解淑艳，王胜杰，王瑞斌

(1.中国环境监测总站，北京 100012;2.中国气象局资产管理事务中心，北京 100081)

随着全球工业化进程的不断加快和对能源需求的不断加大，人类活动造成的大气中温室气体浓度不断升高，对全球的气候、生态等各方面带来显著影响［1］。文献［2］表明，受人为影响的温室气体中CO2居于首位。2000年，背景大气CO2体积分数值达到368×10－6，较1750年上升了(31±4)%。据估计，将导致1990年—2100年全球平均气温有可能升高1.5～5.8℃［3］，大气中 CO2等温室气体浓度的升高，有可能引起全球气温的升高，从而导致海平面上升、降水分布异常等一系列环境问题。

目前关于大气本底观测台站约200个，涉及60多个国家和地区，其中基准站约20个，用于大气背景CO2时空变化趋势、全球碳循环等［4］的研究。许多国家还开展了城市和区域大气CO2浓度观测［5－8］。中国在大气背景CO2浓度监测方面开展较晚，中科院于1988年开始组建成立生态系统研究网络(CERN)，目前已拥有40个生态系统试验站;中国气象局正在内陆14个关键气候与生态区建设7个大气本底站，其中青海瓦里关、浙江临安、北京上甸子和黑龙江龙凤山站已加入 GAW［1－2，9－12］。

现选取东亚地区5个大气本底观测站1994年以来观测的CO2监测资料，分析各站大气CO2浓度的时空变化特征，以及CO2主要人为源的变化及其影响。

1 数据来源

采用温室气体世界资料中心(WDCGG)提供的中国瓦里关、日本 Minamitorishima、韩国 Taeahn Peninsula、蒙古 Ulaan Ul、印度尼西亚 Bukit Koto Tabang观测点位自1994—2010年监测的CO2数据。监测点位见表1。

表1 监测点位

上述观测台站均远离各种人为排放源，站点的监测数据能够较为客观地反映东亚地区各种气候环境下的大气CO2浓度分布状况。

2 结果分析

2.1 CO2浓度年变化趋势

各国CO2浓度年际变化见图1。由图1可见，自1994年以来，中国、日本、韩国、蒙古、印度尼西亚CO2浓度均呈明显上升趋势。

中国、日本、韩国1997年、2001年、2005年、2009年(中国为2008年)CO2浓度不同百分位值分布见图2(a)(b)(c)。

图1 各国CO2浓度年际变化

图2 中国、日本、韩国不同年份CO2百分位值(从5%分位到95%分位)

由图2可见，3个国家CO2浓度均呈逐年升高趋势。5%分位值基本可代表该国大气中CO2背景值，95%分位值可代表该国大气中CO2浓度的最高值，50%分位值可代表该国大气中CO2的平均值。

2.2 CO2月均值变化趋势

各国CO2月均值变化趋势见图3。由图3可见，在北半球国家，冬春季节温度较低，大多数植被落叶，植被通过光合作用固定CO2的能力有所降低，同时人类需要燃烧矿物燃料等进行取暖，也会释放大量的CO2，此时CO2源增加而汇有所减少，导致CO2浓度较高。当北半球国家处于夏季时，温度较高，植被茂密，光照时间较长，植被的光合作用较强，对CO2的固定作用较强，因此夏季大气中CO2源强度较弱而汇强度较强，导致浓度较低。东亚国家CO2浓度逐年升高，北半球国家总体呈现冬春季节高，夏季低的特点，南半球的印度尼西亚5—6月及 9—10月较低。

图3 各国CO2月均值变化

2.3 人均CO2年排放量变化

1994—2006年人均CO2排放量变化趋势见图4，数据来源于CO2信息分析中心(CDIAC)。

图4 1994—2006年人均CO2排放量变化趋势

由图4可见，自1994—2006年，美国人均年排放CO2量远远高于其他国家，并保持稳定趋势;日本和韩国人均CO2年排放量在东亚地区属于较高水平;中国、蒙古、印度尼西亚人均年排放CO2量较低，中国自2000年以来呈升高趋势，蒙古和印度尼西亚人均年排放CO2量保持稳定。

3 讨论

3.1 化石燃料消耗量变化

(1)煤炭消耗量变化。煤炭消耗量变化趋势见图5。

图5 煤炭消耗量变化

由图5可见，中国、美国煤炭消耗总量远高于日本、韩国和印度尼西亚 ;日本、韩国、印度尼西亚自1994年以来煤炭消耗量均有不同程度升高，年增长率为3.3%～14.5%，总体处于较低水平。

(2)石油消耗量变化。石油消耗量变化趋势见图6。由图6可见，1994年—2008年，美国石油消耗总量保持较高水平，并远远高于东亚地区国家。日本石油消耗量总体呈下降趋势 ;中国石油消耗总量总体呈升高趋势，但远低于美国。韩国、印度尼西亚石油消耗量呈升高趋势。

图6 石油消耗量变化趋势

(3)天然气消耗量变化。天然气消耗量变化趋势见图7。由图7可见，美国天然气消耗量远高于东亚地区国家，总体保持稳定。日本、中国、韩国、印度尼西亚天然气消耗量总体呈上升趋势。

图7 天然气消耗量变化趋势

化石燃料消耗总量变化趋势见图8。由图8可见，1994年以来，中国化石燃料消耗总量呈上升趋势，自2002年开始年平均增长率为9.4%，至2008年已接近美国水平，1994—2003年，中国化石燃料消耗总量是日本的约2倍，2008年是日本的4倍。

3.2 森林及农业覆盖率

(1)森林覆盖率变化。森林覆盖率变化趋势见图9，数据来源:世界银行。由图9可见，1990—2010年，日本、韩国、印度尼西亚森林覆盖率较高，均超过50%。印度尼西亚森林覆盖率降低明显，2010年较1990年下降幅度超过10%，日本和韩国森林覆盖率保持稳定，中国森林覆盖率有所升高，蒙古森林覆盖率有所降低。

图8 化石燃料消耗总量变化趋势

图9 森林覆盖率变化趋势

联合国食物与农业组织对各国森林碳储量见图10，数据来源:联合国食物与农业组织FAO［13］。由图10可见，东亚地区国家森林碳储量与森林覆盖率具有直接关系，中国森林碳储量增加较明显，20年间增长幅度超过40%。

图10 森林碳储量变化趋势

(2)农业覆盖率变化。农业覆盖率的变化趋势见图11，数据来源:世界银行。由图11可见，1994—2009年，东亚地区国家农业覆盖率总体保持稳定。蒙古农业覆盖率较高，中国农业覆盖率超过55%，总体保持稳定;印度尼西亚、韩国、日本农业覆盖率较低，印度尼西亚呈升高趋势，韩国和日本略有降低。

图11 农业覆盖率变化趋势

3.3 CO2浓度与人为源相关关系

表2为CO2浓度与上述人为源的相关关系，采用相关系数0.001的置信区间。

表2 CO2浓度与人为源的相关关系

4 结论

(1)1994—2010年，不同气候背景条件下，东亚地区CO2浓度有所差异，韩国较高，印度尼西亚较低，各国总体呈升高趋势，年均增长率0.5%左右;

(2)东亚地区大气中的CO2浓度有明显的季节性变化，4—5月最高，7—8月最低，春季(3—5月)高于夏季(7—9月)，秋冬2季(10—2月)较平稳，变化不大;

(3)东亚各国化石燃料消耗增量明显，植被及农业覆盖率除印度尼西亚、蒙古覆盖率有所降低外，其他各国变化不大。相关性分析表明，通过削减化石燃料消耗、增加农业或森林覆盖率可降低空气中CO2浓度。

致谢:感谢世界温室气体数据中心(WDCGG)、二氧化碳信息分析中心(CDIAC)和世界银行、联合国食物与农业组织、BP.2009.Statistical Review of World Energy

［1］刘立新，周凌晞，张晓春，等.我国4个国家级本底站大气CO2浓度变化特征［J］.地球科学，2009，39(2):222 －228.

［2］王长科，王跃思，刘广仁.北京城市大气CO2浓度变化特征及影响因素［J］.环境科学，2003，24(4):13 －17.

［3］IPCC.Climate Change 2001:Synthesis Report［R］.2001:4 － 5.

［4］INOUE H Y，MAT S H.Measurements of atmospheric CO2from a meteorological tower in Tsukuba，Japan［J］.Tellus，2001，53B:205－ 219.

［5］LEVIN I，GRAUL R，TRIVETT B A N.Long-term observations of atmospheric CO2and carbon isotopes at continent al sites in Germany［J］.Tellus，1995，47B:23 －34.

［6］BAKW P S，TANS P P.Measurement s of carbon dioxide on a very t all tower［J］.Tellus，1995，47B:535 － 549.

［7］IDSO S B，IDSO C D，BALLING C R.Seasonal and diurnal variations of near surface atmospheric CO2con cent ration within a residential sect or of the urban CO2dome of Phoenix，AZ，USA［J］.Atmospheric Environment，2002，36:1655 － 1660.

［8］GRIMMONDA C S B，KING T S，CROPLEYA D J，et al.Local scale fluxes of carbon dioxide in urban environments:Methodological challenges and results from Chicago［J］.Environmental Pollution，2002，116:243 －254.

［9］温玉璞，汤洁，邵志清，等.瓦里关大气二氧化碳浓度变化及地表排放影响的研究［J］.应用气象学报，1997，8(2):129－136.

［10］王木林，李兴生.大气本底监测站的CH4，CO2和CO浓度的初步分析.我国大陆和西太平洋地区大气痕量气体及其他化学物质的监测研究［M］.北京:气象出版社，1986:172－185.

［11］王明星，刘卫卫，RASMUSSEN R A，等.我国西北部沙漠地区大气甲烷浓度的季节变化的长期变化趋势［J］.科学通报，1989(9):684－686.

［12］王庚辰，温玉璞，孔琴心，等.中国大陆上空CO2的本底浓度及其变化［J］.科学通报，2002，47(10):780 －783.

［13］Food and Agriculture Organization of the United Nations.Rome，2011.State of the World's Forests 2011［R］.ISBN 978 －92 －5－106750－5.