大气成分测量(章)

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1、第17章大气成分测量17.1概述本指南中本章的主要目的是，介绍测量大气成分中不同组分的专门化仪器和方法，并侧重于那些能引起污染的人为组分。此类测量通常与本指南前面各章中介绍的基本气象要素的测量紧密关联。测量这些成分的主要目的是为了研究气候变化、提出有效措施以减轻对环境的负面影响并直接保护人类的健康。世界气象组织（WMO）已建立了全球大气监测网（GAW），来协调由WMO成员国实施的大气污染测量。GWA计划综合了大量的监测和研究活动，涉及大气化学和物理特性的测量。它作为早期的预警系统，检测大气中温室气体、臭氧层、空气污染物的长距离传输、降水的酸

2、性和毒性、气溶胶大气负荷的进一步变化。经WMO执行委员会批准，由GAW自1989年6月起加强并协调WMO自1950年开始的环境数据收集计划。GAW吸收了全球臭氧观测系统（GO3OS）、背景空气污染监测网（BAPMoN）及其它较小的网络。GAW为全球的监测和数据评估提供框架设计、标准、相互校准和数据收集系统。测定的主要变量有：（a）温室气体：包括二氧化碳、氟氯烃、甲烷和氧化亚氮；（b）臭氧：包括地面臭氧、臭氧柱总量、垂直廓线和前体物气体；（c）辐射和光学厚度或大气透明度：包括浑浊度、太阳辐射、紫外B辐射、能见度、大气气溶胶颗粒总负荷、水汽；（

3、d）沉降的化学组分：包括硫和氮的化合物的干、湿沉降、重金属（随降水）的湿沉降；（e）反应性气体种类：包括二氧化硫和还原性硫、氮氧化物和还原性氮、一氧化碳；（f）颗粒物浓度和组成特征；（g）放射性核素：包括氪-85、氡、氚、选定物质的同位素组成。用于定量和定性测定大气组分的仪器和方法通常较为复杂，有时不易操作。因此，为了准确、可靠地测量，除了正确的操作外，设备必须定期校准，质量保证也至关重要。这里所描述的测量，大多要求有一定职业水准的专门人员深入参与，才能获得好的结果。17.2特殊变量的测量对大气成分精确、有效的测量依然是一项艰巨的任务，主要

4、起因于所测化学物种的极低浓度、复杂的测量和分析规程的频繁需求以及设备标定时出现的问题等。按一定的测量规程正确地露置传感器/设备至关重要。以下部分将简述某些变量的测量，详见WMO（1993）。17.2.1温室气体温室气体尤其是二氧化碳（CO2）含量的上升幅度严重影响着地球的气候和天气，或许在下个世纪将导致逐渐的全球变暖，变暖尺度和效应的严重性取决于大气中温室气体的未来浓度。因此，监测温室气体浓度对地球的未来极为重要。在全球范围内进行监测的其它温室气体包括甲烷（CH4）、氟氯烃（CFCs）和氧化亚氮（N2O）。对流层中的臭氧也被认为是一种温室气

5、体。WMO从20世纪60年代起开始对CO2330进行监测，当时建立的全球网络后来成为GAW的一部分，是WMO大气化学信息的主要来源。WMO世界温室气体数据中心位于日本东京，成立于1990年，收集并保存了完整的温室气体数据（WMO，1995a）。二氧化碳二氧化碳（CO2）是地-海-气系统中最常见和最重要的痕量气体之一，它有自然源和工业源。在自然碳循环圈中，CO2在一系列生物过程中起着关键作用。由于CO2是一种重要的温室气体，科学家们试图了解其对气候和全球变化的潜在影响。目前，背景大气中CO2浓度测量主要采用非色散红外（NDIR）气体分析仪，尽

6、管这种仪器是为工业用途设计的，只要悉心使用，例如参考气体的使用，多数型号均可获得所需的准确度（±0.１百万分率(ppm)）。大体上，由红外光源提供一束透过参考气测量池和样气测量池的辐射光，用透过两池辐射光的相对强度来度量两池气体中CO2浓度的差异。通常的操作中，使用恒定的但不必精确知道其浓度的参考气冲洗参考气池，未知CO2浓度的样气交替通过样气池。样气中CO2的浓度由分析仪测得的样气和参考气中CO2浓度的差异来确定。为了获得背景大气CO2测量的全球可比性，发展了由三级标准气系统组成的标准系统。该系统由一级、二级标准气和工作参考气组成，在不同

7、国家的项目和中心校准实验室之间要求进行参考气交换，该中心校准实验室设在美国加利福尼亚LaJolla的Scripps海洋学研究所，目前正在迁往位于美国科罗拉多州波尔德的美国国家海洋大气管理局（NOAA）的气候监测与诊断实验室（CMDL）。红外分析连续监测环境气中的CO2浓度，而对校准气的测量以一定间隔穿插其间，用二级标准气每周进行至少一次的校准测试。另一种测量CO2的方法是将空气采集在特别设计的玻璃或不锈钢采样瓶中，此法也适用于其它许多痕量气体。将这些采样瓶送回中心实验室，用NDIR分析仪测定其中的CO2浓度（Komhyr等，1989），该方

8、法已成为一些国家采取的一种标准方法。氟氯烃氟氯烃（CFCs），包括CFC11（CFCl3）和CFC12（CF2Cl2），是自然环境中原来不存在的一族化合物，自20世纪30年代制造