阿克达拉大气NH3浓度特征分析

CCRL

Climate Change Research Letters

2168-5711

Scientific Research Publishing

10.12677/CCRL.2016.53024

CCRL-18057

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地球与环境

阿克达拉大气NH3浓度特征分析 Analysis of the Characteristics of Atmospheric NH3 Concentration in Akedala

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宏君

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阿勒泰地区气象局，新疆阿勒泰

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* E-mail:zhaozhb@163.com(林永);

19052016

0503195199

2014

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利用阿克达拉区域大气本底站NH3分析仪实现大气中NH3的在线连续观测，并在观测过程中进行了严格的质量控制，得到阿克达拉地区NH3浓度的年和日特征。结果显示：阿克达拉地区NH3的季节变化是冷季(11~4月)浓度低，暖季(5~10月)浓度高；最大值为198.66 ppb，发生在8月10日。最小值为0.19 ppb，发生在4月20日，与季节变化特征相匹配。阿克达拉地区NH3白天比夜晚浓度高；受局地排放(农业和土壤排放)的影响显著。阿克达拉地区NH3与其它一次污染物的相关性差，表明其来源的不同；NH3的月均值浓度显著高于其他一次污染物的浓度。 By carrying out the on-line continuous observation of atmospheric NH3 in Akedala regional at-mospheric background station, and implementing the strict quality control during the observation, we obtained the annual and diurnal characteristics of NH3 concentration. The results showed that: the NH3 concentration is low in cold season (November-April); while the NH3 concentration is high in warm season (May-October). The maximum value is 198.66 ppb on August 10th. The minimum value is 0.19 ppb on April 20th, which is similar with the character of seasonal variation. The NH3 concentration in the day is higher than that at night. The NH3 concentration is affected significantly by local emissions (i.e. agriculture and soil emission). The correlation between NH3 and other primary pollutants is low in Akedala. It means that their sources are different. The monthly average concentration of NH3 was significantly higher than that of other primary pollutants.

阿克达拉区域大气本底站，NH3，浓度，特征, Akedala Regional Atmospheric Background Station NH3 Concentration Characteristics

阿克达拉大气NH3浓度特征分析

林永波，王定定，马宏君

阿勒泰地区气象局，新疆阿勒泰

收稿日期：2016年7月6日；录用日期：2016年7月23日；发布日期：2016年7月26日

摘要

利用阿克达拉区域大气本底站NH₃分析仪实现大气中NH₃的在线连续观测，并在观测过程中进行了严格的质量控制，得到阿克达拉地区NH₃浓度的年和日特征。结果显示：阿克达拉地区NH₃的季节变化是冷季(11~4月)浓度低，暖季(5~10月)浓度高；最大值为198.66 ppb，发生在8月10日。最小值为0.19 ppb，发生在4月20日，与季节变化特征相匹配。阿克达拉地区NH₃白天比夜晚浓度高；受局地排放(农业和土壤排放)的影响显著。阿克达拉地区NH₃与其它一次污染物的相关性差，表明其来源的不同；NH₃的月均值浓度显著高于其他一次污染物的浓度。

关键词 :阿克达拉区域大气本底站，NH₃，浓度，特征

1. 引言

阿克达拉大气本底站(47.06˚N，87.58˚E，海拔563.3 m)，是中国气象局建设的7个大气本底站之一，站点位于新疆阿勒泰地区福海县境内东部的戈壁荒漠区域，属于大陆性温带气候的干旱、半干旱气候区域，其下垫面在新疆北疆乃至亚欧腹地都具有代表性。在此地区开展长期的区域本底观测，获取反映该地区自然因素和人类活动导致的大气成分背景的变化，确定其上游区域的大气本底信息以及污染物的跨境输送等特征，为研究气候环境变化、制定环境外交和可持续发展战略提供准确、可靠的基础性科学数据 [1] [2] 。

NH₃是大气中重要的碱性气体，在大气化学、传输与沉降过程中发挥着重要作用。它与大气中的硫酸和硝酸反应生成细颗粒硫酸铵、硝酸铵气溶胶，从而降低大气能见度，影响人体健康；NH₃同时也是降低降水酸度的关键碱性气体；由NH₃转化生成的铵盐进入土壤后，在微生物的作用下氧化生成酸使土壤酸化；大气中的NH₃与土壤、植被、水的交换在全球氮循环中发挥了重要作用。与NO_X和SO₂等气态污染物不同，NH₃在背景地区显示出较高的水平 [3] 。

由于氨在大气中以气相和固相两种形式存在，且两相之间很容易发生相互转化，因此对于大气中氨浓度的准确测量相对困难，它要求在样品采集过程中既要将气态氨与固态铵两相分开，又要避免两者间的相互干扰。因此样品的采集技术显得至关重要。本项观测主要利用滤膜采集或涂渍吸收NH₃的化学物质的扩散管捕集大气中的NH₃，而后利用离子色谱等分析技术分析所采集的浓度而间接推算大气中NH₃的含量。其主要原理是利用扩散管技术捕获空气中的NH₃，并在加热情况下用五氧化二钒或三氧化钨作为催化剂把NH₃热解析并转化为NO_X，而后利用化学发光法测定NO_X进而得到NH₃的浓度 [4] 。

目前在我国对大气NH₃浓度水平尚未开展长时间大范围的监测，而在阿克达拉区域大气本底站开展的大气中NH₃的观测，可获得该地区大气中NH₃的浓度水平及变化特征，并能研究其主要影响因素，为我国尤其是新疆北部的气候预测、预估研究提供基础数据。

2. 观测仪器及数据质量控制

使用澳大利亚Ecotech公司生产的EC9842NH₃分析仪进行NH₃浓度的测量。将大气通过石英玻璃管，在680℃的情况下，NH₃转化为NO和NO₂，再通过钼转化炉(325℃)将NO₂转化为NO，然后利用化学发光法进行测量。整个过程可描述为：

在低浓度下NH₃的转化效率可达100%。由于大气中存在NO和NO₂，因此仪器通过2路交换进气，一路通过NH₃转化炉和一路不通过NH₃转化炉，两路测量结果的差值便获得NH₃的浓度 [5] 。

观测过程的质量控制方法是采用每周的零跨检查和每月的多点校准来完成，零跨检查和多点校准依托站上的反应性气体观测系统的校准系统来完成。数据订正是在多点校准信息的基础上完成。

3. NH3浓度特征3.1. 时间序列特征

阿克达拉站2010年4月到2012年底大气中NH₃浓度随时间的系列变化，如图1所示，总体平均值为29.1 ± 48.4 ppb，中值为11.0 ppb，最大值高达1.55 ppm。中值显著低于平均值，说明阿克达拉地区大气中NH₃的浓度水平会受到局地源的影响。阿克达拉站周边为戈壁及农业区，农田耕作施肥过程化学肥料的使用以及土壤、牲畜活动会释放高浓度的NH₃。

3.2. 季节变化特征

图2是阿克达拉地区NH₃的季节变化特征，1~12月份NH₃的月均值浓度分别为5.58，12.73，14.13，24.81，47.51，32.24，45.47，52.12，38.14，40.66，13.21和9.11 ppb。由月份计算得到的年均值为27.98 ± 16.69 ppb。5~10月份NH₃的浓度显著高于11~4月份，且前者日间的浓度波动也显著高于后者。在温暖的季节出现NH₃浓度比较高，通常与施肥等农业活动紧密相关。5月份是站点所在区域地区农业活动最激烈的月份。此外，由于温度的升高，土壤中NH₃的挥发及牲畜的养殖增加了站点NH₃的浓度水平。冬季NH₃浓度比较低，主要因为低温以及积雪覆盖，导致NH₃的挥发较少，同时冬季农业活动较少。在阿克达拉5月份的平均气温(16.6℃)比4月份(8.3℃)的高出1倍以及农事活动频繁施肥较其他月份多，可能是导致5月份NH₃显著增加的重要因素。NH₃的浓度最大值为198.66 ppb，发生在8月10日。最小值为0.19 ppb，发生在4月20日，与季节变化特征相匹配。

3.3. 日变化特征

图3是暖季(5~10月)和冷季(11~4月)阿克达拉地区大气NH₃浓度的平均日变化。暖季的值显著高于冷季的值，但其日变化特征非常相似，即白天要显著高于夜晚，且振幅在10 ppb左右。这跟NH₃的挥发性有关，温度高的时候挥发性大。暖季在10点左右还出现一个NH₃的峰值。NH₃浓度的平均日变化与其它一次污染物如SO₂、NO_X和CO有显著的不同。

3.4. 空气中NH3浓度与其它一次污染物浓度的关系

阿克达拉站CO、SO₂、NO_X和NH₃等一次气态污染物月均值浓度水平变化中，CO和SO₂的季节变化体现了冬季高夏季低的特征，NO_X的季节变化不显著。NH₃与CO、SO₂、NO_X的相关性不显著，表明其来源的不同。SO₂和NO_X是大气中重要的酸性气体，也是促进NH₃中和的重要气体。从浓度上看，除1月份外，NH₃的浓度均高于SO₂和NO_X的浓度之和。

4. 结论

研究发现，阿克达拉地区NH₃的季节变化是冷季(11~4月)浓度低，暖季(5~10月)浓度高；最大值为198.66 ppb，发生在8月10日；最小值为0.19 ppb，发生在4月20日。这些特征与季节变化特征相匹配。并且阿克达拉地区NH₃白天比夜晚浓度高，受局地排放(农业和土壤排放)的影响显著。阿克达拉地区NH₃

图1. 阿克达拉地区NH₃浓度时间序列图

图2. 阿克达拉地区NH₃浓度月变化图

图3. 阿克达拉地区NH₃浓度日变化图

与其它一次气态污染物的相关性差，表明其来源的不同，其中NH₃的月均值浓度显著高于SO₂和NO_X的浓度。然而受观测环境和仪器设备限制，未能持续、完整观测，未能得出NH₃与其它一次气态污染物的具体相关性。

文章引用

林永波,王定定,马宏君. 阿克达拉大气NH3浓度特征分析Analysis of the Characteristics of Atmospheric NH3 Concentration in Akedala[J]. 气候变化研究快报, 2016, 05(03): 195-199. http://dx.doi.org/10.12677/CCRL.2016.53024

参考文献 (References)

References1

林伟立, 徐晓斌, 王力福, 杨森, 林永波, 赵正波, 李建丽, 陈巧华. 阿克达拉区域大气本底站反应性气体在线观测[J]. 气象科技, 2010, 38(6): 661-667.

林伟立, 徐晓斌, 于大江, 代鑫, 张忠华. 龙凤山区域大气本底台站反应性气体观测质量控制[J]. 气象, 2009, 35(11): 93-100.

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Qi, H.X., Lin, W.L., Xu, X.B., Yu, X.M. and Ma, Q.L. (2012) Significant Downward Trend of SO2 Observed from 2005 to 2010 at a Background Station in the Yangtze Delta Region, China. Science China Chemistry, 55, 1451-1458.