随着我国应对气候变化和各地气象服务工作的深入,大气成分观测已成为气象工作的一项重要内容,为规范和指导大气成分观测业务工作的开展,从2010年开始,中国气象局综合观测司组织开展了《大气成分观测业务规范》编制工作。
本规范从国家和地方气象事业发展和服务需求出发,依据世界气象组织《全球大气观测指南》(GlobalAtmosphereWatchMeasurementsGuide)的基本技术要求,在总结多年来大气成分观测业务和科研活动的运行、管理和技术经验的基础上,经完善、总结和提炼而成。
本规范规定了大气成分观测业务的基本任务、观测方法、技术要求以及观测数据记录的处理方法等。大气成分观测仪器的具体安装、操作步骤和维护方法以及业务软件的使用方法等由相应的技术手册规定。
大气成分观测中所涉及的地面气象要素的观测要求按《地面气象观测规范》和《基准辐射观测业务规范(试行)》执行,酸雨观测要求按照《酸雨观测业务规范》执行。
本规范由张晓春同志主持编写,陈永清、靳军莉、汤洁、孙俊英、徐晓斌、周凌晞、任芝花、孟燕军、郑向东、车慧正、林伟立、颜鹏、周怀刚、马千里、李菲、许正旭、耿福海、乜虹、何芳、云艳、赵大勇、杨晓武、张宇等同志参加编写。
第一编总则
第1章观测组织工作
大气成分观测是基本气象观测工作任务之一,必须严肃、认真、负责地做好。
本规范是从事大气成分观测工作的业务规则和技术规定,观测工作中必须严格遵守。
大气成分观测仪器和业务软件的操作手册、技术规定以及规程等是对本规范的必要补充,编制时必须以本规范为依据,其内容不得与本规范相违背。大气成分观测人员在认真执行本规范的同时,应熟练掌握大气成分观测仪器和业务软件的操作手册、技术规定以及规程中的有关内容。
本规范的制定、修改和解释权属国务院气象主管机构。
1.1观测的分类
大气成分观测业务可分为大气本底观测业务、基本大气成分观测业务和环境气象观测业务三类。
大气本底观测业务——为长期、准确地获取全球或区域大气成分本底变化基础数据资料而开展的观测业务。开展大气本底观测业务的台站主要包括全球大气本底站、区域大气本底站。
基本大气成分观测业务——为获取反映人类或自然活动对一定范围内大气成分及其物理、化学特性的影响及其变化趋势而设置的观测业务。开展基本大气成分观测业务的台站主要包括沙尘暴观测站、大气成分观测站。
1.2观测任务
仪器设备巡检、维护、检修和标校:按有关技术规定和要求,正确安装、使用和维护仪器设备,定期进行巡检、维护,开展仪器设备的国内、国际比对、标准传递和标校;及时处理和解决仪器设备的异常和故障,确保仪器设备正常运行。
观测质量控制:完成规定的观测数据质量控制、处理和整编等。
样品分析:应及时对样品进行接收和登记,按规定进行妥善保存、预处理,并及时分析和后处理,进行样品分析数据的整编、订正、统计与报送;应提前对台站所需各类标准物质(包括标准气体等)进行准备,并开展标准量值传递的比对和标校等活动。
探测环境保护:维护观测场、室的工作环境,保护好周边探测环境,按有关技术规定和要求填写和上报观测站探测环境报告书。
1.3观测要素
大气本底观测业务、基本大气成分观测业务的观测要素及相应的实验室分析与标校业务内容由国务院气象主管机构确定;环境气象观测业务的观测要素及相应的实验室分析与标校业务内容由各级地方气象主管机构确定。大气成分观测要素详见表1-1。
表1-1大气成分观测要素
1.4观测方式
大气成分观测分为现场观测和实验室分析两种形式,采用人工和自动两种观测方式,其中人工观测方式的项目见表1-2,自动观测方式的项目见表1-3。
表1-2人工观测方式项目表
表1-3自动观测方式项目表
1.5观测程序
(1)大气成分观测台站观测程序应明确:
(2)实验室的观测程序应明确:
1.6时制、日界和对时
1.6.1时制
大气成分观测采用世界时,地面气象要素观测的时制按《地面气象观测规范》执行。
1.6.2日界
大气成分观测以世界时00时为日界。地面气象要素的日界按《地面气象观测规范》执行。
1.6.3对时
大气成分观测台站的观测时钟采用世界时。
每日世界时11时正点检查仪器、采集器及计算机时钟,当与标准时相差大于30s时,在正点后按规定的操作方法进行调整。
1.7大气成分观测员
经系统的业务技术培训,熟练掌握大气成分观测技术,取得省级或以上业务主管部门认定的业务岗位资格。
全面了解大气成分观测的各项要求,遵守观测值班纪律。坚持实事求是,不得涂改、伪造观测记录,严格按本规范的要求完成观测任务。
负责仪器和场地的日常巡检、常规维护、检修和标校等,保持仪器和场地处于良好状态。密切观察和记录可能对大气成分观测产生影响的干扰因素。在仪器设备出现异常或故障时,应及时报告并采取有效措施,尽快恢复。
及时、认真地完成各项观测操作,准确获取观测数据和质量控制信息,按规定完成观测资料的整理和报送。
积极参加业务主管部门组织的专项业务技术进修培训,不断掌握新的观测业务技术知识和新仪器的使用维护方法。
积极参加业务主管部门定期组织的考核。
1.8样品分析人员
经系统的业务技术培训,熟练掌握大气成分观测业务样品分析技术,取得省级或以上业务主管部门认定的上岗资格。
全面了解业务样品分析的各项要求,坚持实事求是,不得涂改、伪造分析记录,严格按本规范的要求完成样品分析任务。
负责分析仪器和场地的日常巡检、标校、常规维护和简单检修等,保持仪器和场地处于良好状态。密切观察和记录可能对样品分析产生影响的干扰因素。在仪器设备出现异常或故障时,应及时报告并采取有效措施,尽快恢复。
遵守实验室消防、环境卫生、设备使用、试剂使用、空间管理等各项管理规定。
积极参加业务主管部门组织的专项业务技术进修培训,不断掌握新的样品分析技术知识和新仪器的使用维护方法。
第2章大气成分观测场址
2.1站址选择
观测站址的选择应参照气象行业标准《大气成分观测站址选择》执行。
2.1.1选址条件
2.1.1.1地理环境
应避开地震、活火山、泥石流、山体滑坡、洪涝等自然灾害多发或频发地区;应避开陡坡、洼地等地区。
全球大气本底站应选在具有全球尺度代表性的地区,30km~50km(在主导和次主导风向上取较大值,在非主导风向上取较小值)范围内人为活动稀少、四周开阔、气流通畅的地区。
区域大气本底站应选在具有较大区域尺度代表性的地区,20km~30km(在主导和次主导风向上取较大值,在非主导风向上取较小值)范围内人为活动相对较少、四周相对开阔、气流通畅的地区。
大气成分观测站应选在具有局地代表性的地区,人类活动对区域环境或气候影响有一定指示意义的地区,以在当地具有一定相对高度的地点为宜,周边50m范围内相对开阔、气流通畅的地区。
环境气象观测站应选在对特定环境气象要素有一定指示意义的地区。
2.1.1.2污染气象条件
应选在当地主要污染源主导风向的上风或侧风方向;应避开燃烧、交通以及工、农业生产等局地污染源和其他人类污染活动。
在全球大气本底站主导风向上风方向50km范围内不应有对全球尺度大气本底状态有影响的持续性的固定污染源。
在区域大气本底站主导风向上风方向30km不应有对区域尺度大气本底状态有影响的持续性的固定污染源。
在大气成分观测站主导风向上风方向50m范围内不宜有持续性的固定污染源。
2.1.1.3净空条件
全球和区域大气本底站四周360°范围内障碍物的遮挡仰角不宜超过5°。
大气成分观测站、环境气象观测站四周至少270°范围内障碍物的遮挡仰角不宜超过5°。
观测站仪器采样口的架设应符合以下条件:
天顶方向净空角应大于120°,周围水平面应保证270°以上的自由气流空间;
当一边靠近建筑物时,采样口距支撑墙体或建筑物的水平距离应大于1.5m,周围水平面应有180°以上的自由气流空间;
距附近最高障碍物之间的水平距离,应至少为该障碍物与采样口高度差的2倍以上;
距附近最近树木的水平距离应大于10m;
根据交通车辆流量和观测的大气成分类别的不同,采样口距交通道路边缘间的最小距离要求见表2-1。
表2-1采样口与交通道路之间的最小距离
(日平均车辆数)
2.1.1.4土地开发与利用
应避开当地近期和中期规划拟建项目对站址环境可能产生影响的地区。
全球大气本底站及周边,在主导风向上20km范围、非主导风向上10km范围内,土地利用方式等应长期保持稳定。
区域大气本底站及周边,在主导风向上10km范围、非主导风向上5km范围内,土地利用方式等应长期保持稳定。
大气成分观测站及周边50m范围内,土地利用方式等在5~10年内不应有显著的变化。
2.1.2选址方法
2.1.2.1初选
对拟选站址所在区域的行政区规划、人口分布、地形、发展规划等情况进行初步调查和评价,对可能建立大气成分观测站的地区进行图上选址,在区域中选择2~3个拟选站址。必要时应进行现场勘察,特殊情况下,可以只对指定的站址进行初步调查和评价。
2.1.2.2详细调查
2.1.2.2.1生态与环境条件
2.1.2.2.2土地规划和区域开发情况
了解当地土地利用现状、中长期规划等。
2.1.2.2.3污染源
全球和区域大气本底站应调查拟选站周边50km范围内的大气污染源、周边10km范围内居民点和小作坊的基本情况。若拟选站址处于农业耕作地区,则还应了解农事活动,如施肥、农药喷洒和秸秆焚烧等可能造成局地污染的规律及分布。
大气成分观测站应调查拟选站周边100m~200m范围内大气污染源的状况。
2.1.2.2.4污染气象条件
全球和区域大气本底站应收集拟选站最近5~10年的地面风向、风速和污染系数资料。大气成分观测站应收集拟选站最近3~5年的地面风向、风速和污染系数资料。
如当地或附近无可供使用或参考的气象资料,应利用后向轨迹模式计算拟选站址在不同季节内的气团来向和频率;也可在拟选站址设立地面风向、风速等基本气象要素观测,以获取至少为期一年的地面气象观测资料。
2.1.2.2.5基础设施条件
应调查拟选站的供电、供水、防雷、道路、交通、通讯等状况。
2.1.2.3可行性论证
2.1.2.4站址确定
在详细调查或可行性论证的基础上,根据拟选站址的自然条件、社会与经济条件,从技术、安全、环境和经济等各方面进行客观、综合评价和分析,将具有较好代表性、可行性的意向性站址作为候选站址。
2.2观测场室要求
2.2.1观测场
2.2.2观测室
观测室是安放观测仪器的场所和值班观测员的工作室。在符合观测环境要求的条件下,宜靠近观测场。
根据观测项目的技术要求,可在观测室内划分为多个工作区域,安放观测仪器的区域还应预留一定的仪器检修、标校等活动的空间。
观测室内地面、墙壁、顶棚应采用不易起尘的环保材料。应不受强震动、强电磁辐射的干扰,室内环境应保持整洁,室内温度、湿度应按照仪器运行的环境要求保持相对稳定,取暖应采用空调或电暖气设备。根据当地的环境特点,采取适当的防虫措施。
根据观测项目的技术要求,可在观测室顶部及侧壁的适当位置预留管线孔洞。屋顶应具有一定的承重能力,以便仪器安装和维护。
观测室应具有稳定、可靠的电力供应系统和设施,具有足够的运行载荷量。电线、电路以及相应电气设备的架设等应符合电力部门的要求,并具有良好接地和地网;应配备具有稳压过滤功能的稳压电源或不间断电源,以保证站内供电的电压波动不超过±5%。仪器用电、生活照明用电和观测场用电的线路应各自独立分开,避免互相干扰,并兼顾三相平衡。
观测室内应设有可靠的数据传输线路,具备数据传输能力。
观测室防雷必须符合《气象台(站)防雷技术规范》(QX4—2000)的要求。
2.2.2样品分析实验室
实验室面积大小应能保证实验室仪器设备安装和运行,以及操作人员正常工作。
实验室应设有缓冲间,保持温度和湿度的稳定,防止灰尘和泥土带入实验室。
实验室内应安装温湿度控制设备,使实验室温度能控制在25℃±3℃,相对湿度控制在80%以下。
实验室供电电源电压波动不能超过10%,供电系统应配有电源过压、过载和漏电保护装置,并有良好的接地线路,接地电阻<4Ω。
实验室应配置良好的通风设备和废气排出口,保持室内空气清洁。
实验室应配备专门的消防设施和器材,对危险物品还应配备监控装置。
应设置标准气体钢瓶放置间(柜)安全放置标准传递用标准气钢瓶。在没有条件设置标准气钢瓶放置间(柜)时,应在固定位置放置标准气钢瓶并将其固定。
用于清洗器皿和物品的清洗池应远离干燥操作的工作台。
实验室应配置一定数量的工作台、实验台和存储柜,台面应坚固、耐磨、防火、抗腐蚀。
高精密天平应放置在独立天平台和有恒温、恒湿和防震措施的天平室中。
2.3仪器布设
2.3.1观测场
观测场内仪器设施的布设应符合《地面气象观测规范》的有关要求和仪器设备的安装要求,互不影响,便于操作。
2.3.2观测室
根据仪器设备安装运行的技术要求进行布设和安装,确保仪器之间互不影响,便于操作。
有屋顶管线的室内仪器设施的布设应与层顶平台布局相对应。
室内装有空调时,应注意避免空调出风直吹仪器,中央空调的出风口不宜在仪器上方。
根据仪器安装要求,配备稳固、耐用、阻燃的工作面或机柜。
2.3.3屋顶平台
进气管线设施、采样及其他观测设备应根据外观尺寸及工作方式合理布设,高的设施设备安置在北侧,低的安置在南侧。
进气口尽量选择在主导风向方位安装,如有多个进气口,应避免相互干扰和影响。采样设备的排气口应安装在对各观测设备进气干扰和影响最小的位置。
2.4观测环境报告书
观测站每年1月底前完成填写和上报《观测站环境报告书》。
《观测站环境报告书》一式3份。站内存档一份,向省(区、市)气象局业务主管部门和中国气象局指定的业务单位各上报一份。
《观测站环境报告书》格式和填写说明见附录。
2.5站址变动
开展大气本底观测业务和基本大气成分观测业务台站的站址变动,由国务院气象主管机构审批。
开展环境气象观测业务台站的站址变动,由省级气象主管机构审批。
涉及地面气象要素观测业务的站址迁移,按《地面气象观测规范》有关站址迁移及对比观测要求执行。
第3章观测仪器
3.1基本要求
应具有国务院气象主管机构业务主管部门颁发的使用许可证,或经国务院气象主管机构业务主管部门审批同意用于观测业务的仪器。
3.2观测目标
元素碳:1mg/cm2
有机碳:0.2mg/cm2
>35km,精度5-10%
电导率:±5%
NH4+:<0.05mgL-1
K+,Na+,Ca2+,Mg2+:<0.03mgL-1
3.3维护、检修和标校
仪器设备应按要求定期进行维护、检修和标校。不能使用未经检定、超过检定周期或检定不合格的仪器设备。
仪器维护、检修和标校后要进行详细记录,并存档备案。
在仪器出现异常或故障时,应按规范流程进行处理。
各类仪器的标校周期详见下表。
表3-2仪器标校周期表
注:对尚不具备标校能力的,由国家级单位负责。
第二编大气成分观测
大气成分观测主要包括温室气体、气溶胶、反应性气体、臭氧总量、辐射、酸雨和降水化学等部分。
第4章温室气体
4.1概述
温室气体指大气中具有吸收红外辐射的微量气体,主要包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、六氟化硫(SF6)、氟氯烃和水汽(H2O)等。温室气体的存在对于全球气候的形成演变具有重要的影响,人为排放的各类温室气体导致全球范围内温室气体的浓度升高,是导致全球变暖的原因之一。
温室气体浓度的观测是大气成分观测重要内容,其观测范围包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、六氟化硫(SF6)、氟氯烃的大气浓度。
4.2二氧化碳(CO2)浓度
大气二氧化碳浓度为二氧化碳摩尔数与同体积内全部气体分子摩尔数之比,用百万分之一(ppm,10-6或μL/L)表示,取2位小数。
二氧化碳是大气中含量最多的温室气体,大气二氧化碳浓度有较明显的和季节变化,夏季较低,冬季较高;在下垫面源汇变动较明显的陆地地区也有不同程度的日变化;在人类持续排放的影响下,全球大气二氧化碳的平均年增长率约为1.5-2ppm/a。
4.2.1测量方法
4.2.1.1现场采样-实验室分析方法
使用硬质玻璃瓶、不锈钢罐等作为现场采样采样容器。采样前,采样容器应抽成0.1Pa以下的真空,处理后充满高纯氮气(纯度>99.999%)保存。在采样现场,利用空气泵,将环境空气压入瓶(罐)内,置换出高纯氮保护气体,并压至规定的压力,完成环境空气样品的采集。
在实验室里,可应用色谱分离-火焰离子化检测器测定法(GC-FID)、非散射红外测定方法(NDIR)、光腔衰荡光谱测定法(CRDS)、离轴积分腔输出光谱测定法(ICOS)、富里叶红外光谱吸收测定法(FTIR)等测定样品中的二氧化碳浓度。
(1)色谱分离-火焰离子化检测器测定法(GC-FID)
原理:利用色谱柱分离原理将二氧化碳从进样气体中分离出来,经催化转化器还原成甲烷,由火焰离子化检测器对二氧化碳进行定量测定。
系统构成:低温除水装置、定量进样单元、气相色谱分离单元、催化转化器、火焰离子化检测器、载气及辅助气体、标准气系列、数据采集记录单元。
单个样品测量周期:小于20min。
(2)非散射红外测定方法(NDIR)
原理:在二氧化碳的特征吸收谱段内,气体样品对透过红外光的吸收消光与样品中二氧化碳浓度关系符合郎伯-比尔定律。据此,利用一束红外光线同时照射气体样品和参比样品,根据两者对红外光线吸收的相对强度,测定气体样品中的二氧化碳浓度。
系统构成:低温除水装置、样品进样控制单元、非散射红外气体分析仪、标准气系列、数据采集记录单元。
单个样品测量周期:<10min。
(3)光腔衰荡光谱测定法(CRDS)
系统构成:低温除水装置、样品进样控制单元、光腔衰荡光谱分析仪、标准气系列、数据采集记录单元。
4.2.1.2在线连续分析方法
利用空气泵连续采集环境空气样品,经过低温除水后,应用色谱分离-火焰离子化检测器测定法(GC-FID)、非散射红外连续测定方法(NDIR)、光腔衰荡测定法(CRDS)、离轴激光吸收测定法(ICOS)、富里叶红外光谱吸收测定法(FTIR)等,可连续测定样品中的二氧化碳浓度。
原理:同4.2.1.1相应部分。
系统构成:进气管线、低温除水装置、定量进样单元、气相色谱分离单元、催化转化器、火焰离子化检测器、载气及辅助气体、标准气系列、数据采集记录单元。
测量频率:>1/20min。
系统构成:进气管线、低温除水装置、样品进样控制单元、非散射红外气体分析仪、标准气系列、数据采集记录单元。
测量频率:>1/min。
系统构成:进气管线、低温除水装置、样品进样控制单元、光腔衰荡光谱分析仪、标准气系列、数据采集记录单元。
测量频率:>1/s。
4.2.2仪器安装、使用和维护要求
4.2.2.1现场采样
(1)采样点
可选择从在线连续测量系统进气管线的旁路上采集,也可选择在开阔平坦的室外地点采集样品。在线连续测量系统进气管线的旁路上采集时,应选择在进气管线的正压段连接采样旁路。在室外地点采集时,采样点应选在观测站建筑物及其它设施上风方向,附近地形应较为开阔、平坦,上风方向没有污染或存在可能影响进气口气流的地形。
(2)安装
将采样瓶(罐)安装到采样器后,紧固好连接部件,再按照规定要求连接好进气管线。
在室外地点采集时,应在观测室内安装采样瓶,并适当紧固,将采样器连同采样瓶一起搬到室外采样地点,平稳放置,再次确认采样瓶的连接紧固后,升起采样管,按要求进行采样。应尽量避免将样品瓶直接暴露在强烈阳光下,安装好采样瓶后应及时合上采样器的内盖。
(3)样品采样和记录
每次采集一对平行样品。
采样期间,应随时查看采样流量是否稳定,注意观察是否有不正常的噪音或声响,检查电池供电情况,如有异常情况,及时处理。
(4)样品(瓶、罐)保存和运输
采样瓶(罐)应放在专用包装箱内保存和运输。
(5)维护
4.2.2.2在线连续观测
(1)安装
除进气管线外,全部设备应安装在室内。
观测室内的各测量仪器单元和数据采集记录单元等应集中安装在标准机柜中或工作台上,放置在有温度控制的观测室内,全年温度变化范围为15-30℃,日温度变化幅度不大于5℃。
色谱分离-火焰离子化检测器测定法(GC-FID)的各测量仪器单元包括:低温除水装置、定量进样单元、气相色谱分离单元、催化转化器、火焰离子化检测器。
非散射红外测定方法(NDIR)的各测量仪器单元包括:低温除水装置、样品进样控制单元、非散射红外气体分析仪。
光腔衰荡光谱测定法(CRDS)的各测量仪器单元包括:低温除水装置、样品进样控制单元、光腔衰荡光谱分析仪。
标准气钢瓶应放置在与上述设备的同一观测室内,稳妥固定于墙面或机柜(工作台)侧面,防止翻倒。标准气钢瓶上安装二级高精度减压阀,且各减压阀固定,不可混用。
应使用-50℃或以下的超低温冷阱去除进样空气中的水汽。
抽气泵及色谱用载气、辅助气钢瓶等应放置于通风散热良好、无强烈直射阳光的气泵室、气瓶室,氢气钢瓶或其他可燃气体(可燃成份含量低于燃爆比例的除外)应放置在单独的气瓶室,与其他气瓶分开,且配备必要的防火设施和防火标志。气相色谱系统的载气应配备脱水、脱烃过滤器。
进气管线应采用不锈钢或专用的金属-塑料复合管线,进气口处应有防虫和防尘过滤膜,抽气泵之前应安装7μm孔径的粒子过滤器。采样管的进气口应超出下垫面冠层,距地表高度宜为50-80米。
系统各部件间的气路联接应紧密、无漏气。安装高度和间隙应方便操作和维护,并有利于仪器散热。
观测仪系统专用工作软件的安装应按有关要求进行。
系统应配备220V不间断电源。
(2)运行和维护要求
当有可能影响观测数据的情况出现时,应认真记录。
应随时巡视并检查仪器运行状况(包括检查标准气的压力、冷阱温度及流量计的流速),检查数据采集与传输情况,认真填写值班记录。
当任何一个标准气钢瓶的压力低于500Psi时,必须立即更换。
每2个月对冷阱仪内的酒精进行补充或更换,如内部冷凝情况严重则须更换。
每3个月应至少对采样泵进行一次清洁和维护。
每6个月应用更高级别的标准气对站标准气进行一次标校。
每6个月对系统进行一次常规检查和维护(包括检漏、流量检查等)。
每年应检查和更换采样进气管线的抽气泵泵膜。
每年应至少对采样管路进行一次清洗;更换一次采样口除水、防虫过滤头。
其他要求见下表:
表4-1在线连续观测其他运行维护要求
每两年应用更高级别的标准气对站标准气进行标校。
4.2.2.3实验室测量分析
除进气管线的安装要求外,其余要求同4.2.2.2。
同4.2.2.2。
4.3甲烷(CH4)浓度
大气甲烷浓度为甲烷摩尔数与同体积内全部气体分子摩尔数之比,用十亿分之一(ppb,10-9或nL/L)表示,取1位小数。
大气甲烷浓度只有1700-2100ppb,比二氧化碳低近200倍,但是同样浓度的甲烷增温潜势比二氧化碳大20倍,全球大气甲烷浓度升高对全球变暖的贡献率大约为20%。CH4还是大气中最重要的化学活性含碳化合物,影响大气化学过程,从而对环境造成重大影响。
4.3.1测量方法
4.3.1.1现场采样-实验室分析方法
在实验室里,应用色谱分离-火焰离子化检测器测定法(GC-FID)、光腔衰荡激光测定法(CRDS)、离轴激光吸收测定法(ICOS)、富里叶红外光谱吸收测定法(FTIR),测定样品中的甲烷浓度。
原理:利用色谱柱分离原理将甲烷从进样气体中分离出来,由火焰离子化检测器进行定量测定。
系统构成:低温除水装置、定量进样单元、气相色谱分离单元、火焰离子化检测器、载气及辅助气体、标准气系列、数据采集记录单元。
(2)光腔衰荡光谱测定法(CRDS)
系统构成:低温除水装置、样品进样控制单元、光腔衰荡激光气体分析仪、标准气系列、数据采集记录单元。
4.3.1.2在线连续分析方法
利用空气泵连续采集环境空气样品,经过低温除水后,应用色谱分离-火焰离子化检测器测定法(GC-FID)、光腔衰荡光谱测定法(CRDS)、离轴积分腔输出光谱测定法(ICOS)、富里叶红外光谱吸收测定法(FTIR)等测定样品中的甲烷浓度。
原理:同4.3.1.1相应部分。
系统构成:进气管线、低温除水装置、定量进样单元、气相色谱分离单元、火焰离子化检测器、载气及辅助气体、标准气系列、数据采集记录单元。
4.3.2仪器安装、使用和维护要求
4.3.2.1现场采样
采样点、设备、样品采集和记录、样品(瓶、罐)保存和运输、设备维护等,均同4.2.2.1。
4.3.2.2在线观测
观测室内的各测量仪器单元和数据采集记录单元等应集中安装在标准机柜中或工作台上,放置在有温度控制的观测室内,温度控制要求同4.2.2.2相应部分。
色谱分离-火焰离子化检测器测定法(GC-FID)的各测量仪器单元包括:低温除水装置、定量进样单元、气相色谱分离单元、火焰离子化检测器。
其他各项安装要求均与4.2.2.2相应部分相同。
各项要求均与4.2.2.2相应部分相同。
4.3.2.3实验室测量分析
除进气管线的安装要求外,其余要求同4.3.2.2。
同4.3.2.2。
4.4氧化亚氮(N2O)浓度
大气氧化亚氮浓度为氧化亚氮摩尔数与同体积内全部气体分子摩尔数之比,用十亿分之一(ppb,10-9或nL/L)表示,取1位小数。
氧化亚氮的大气本底浓度比二氧化碳低3个数量级,但是具有较长的大气寿命和较高的增温潜势,因而全球大气氧化亚氮浓度升高对全球变暖的贡献率大约为6%。在平流层中,N2O在光化学作用下分解转化,对平流层O3有损耗作用。
4.4.1测量方法
4.4.1.1现场采样-实验室分析方法
在实验室里,应用色谱分离-电子捕获检测器测定法(GC-ECD)、光腔衰荡光谱测定法(CRDS)、离轴积分腔输出光谱测定法(ICOS)、富里叶红外光谱吸收测定法(FTIR)等,测定样品中的氧化亚氮浓度。
(1)色谱分离-电子捕获检测器测定法(GC-ECD)
原理:利用色谱柱分离原理将氧化亚氮从进样气体中分离出来,由电子捕获检测器进行定量测定。
系统构成:低温除水装置、定量进样单元、气相色谱分离单元、电子捕获检测器、载气及辅助气体、标准气系列、数据采集记录单元。
4.4.1.2在线连续分析方法
利用空气泵连续采集环境空气样品,经过低温除水后,应用色谱分离-电子捕获检测器测定法(GC-ECD)、光腔衰荡光谱测定法(CRDS)、离轴积分腔输出光谱测定法(ICOS)、富里叶红外光谱吸收测定法(FTIR)等,测定样品中的氧化亚氮浓度。
原理:同4.4.1.1相应部分。
系统构成:进气管线、低温除水装置、定量进样单元、气相色谱分离单元、电子捕获检测器、载气及辅助气体、标准气系列、数据采集记录单元。
4.4.2仪器安装、使用和维护要求
4.4.2.1现场采样
4.4.2.2在线观测
色谱分离-电子捕获检测器测定法(GC-ECD)的各测量仪器单元包括:低温除水装置、定量进样单元、气相色谱分离单元、电子捕获检测器。
4.4.2.3实验室测量分析
除进气管线的安装要求外,其余要求同4.4.2.2。
同4.4.2.2。
4.5六氟化硫(SF6)浓度
大气六氟化硫浓度为六氟化硫摩尔数与同体积内全部气体分子摩尔数之比,用万亿分之一(ppt,10-12或pL/L)表示,取2位小数。
4.5.1测量方法
4.5.1.1现场采样-实验室分析方法
使用硬质玻璃瓶、不锈钢罐等作为现场采样采样容器。采样前,采样容器应抽成0.1Pa以下的真空,处理后充满高纯氮气(纯度>99.999%)保存。在采样现场,利用空气泵,将环境空气压入瓶(罐)内,置换出高纯氮保护气体,并压至规定的压力,完成环境空气样品的采集。在实验室里,应用色谱分离-电子捕获检测器测定法(GC-ECD)测定样品中的六氟化硫浓度。
色谱分离-电子捕获检测器测定法(GC-ECD)
原理:利用色谱柱分离原理将六氟化硫从进样气体中分离出来,由电子捕获检测器进行定量测定。
4.5.1.2在线连续分析方法
利用空气泵连续采集环境空气样品,经过低温除水后,应用色谱分离-电子捕获检测器测定法(GC-ECD)连续测定样品中的六氟化硫浓度。
原理:同4.5.1.1相应部分。
4.5.2仪器安装、使用和维护要求
4.5.2.1现场采样
4.5.2.2在线观测
低温除水装置、定量进样单元、气相色谱分离单元、电子捕获检测器和数据采集记录单元等应集中安装在标准机柜中或工作台上,放置在有温度控制的观测室内,温度控制要求同4.2.2.2相应部分。
4.5.2.3实验室测量分析
除进气管线的安装要求外,其余要求同4.5.2.2。
同4.5.2.2。
4.6氟氯烃(fluorochlorohydrocarbon)浓度
氟氯烃是卤素元素(如:氟、氯)部分或全部替代烃类化合物中的氢元素后形成的化合物,种类繁多,也俗称为氟利昂(freon)。根据替代方式的不同,可细分为氢氟碳化合物(hydrofluorocarbon,HFCs,部分氢元素被氟元素替代的烃类)、氢氟氯碳化合物(hydrofluorochlorocarbon,HCFCs,部分氢元素被氟、氯元素替代的烃类)、氟氯化碳化合物(fluorochlorocarbon,CFCs,氢元素被氟、氯元素完全替代的烃类)、全氟化碳化合物(perfluorocarbon,PFCs)、等。
大气中某种氟氯烃的浓度为该氟氯烃摩尔数与同体积内全部气体分子摩尔数之比,用万亿分之一(ppt,10-12或pL/L)表示,取2位小数。
4.6.1测量方法
4.6.1.1现场采样-实验室分析方法
使用不锈钢罐等作为现场采样采样容器。采样前,采样容器应抽成0.1Pa以下的真空,处理后充满高纯氮气(纯度>99.999%)保存。在采样现场,利用空气泵,将环境空气压入瓶(罐)内,置换出高纯氮保护气体,并压至规定的压力,完成环境空气样品的采集。
在实验室里,应用色谱分离-电子捕获检测器测定法(GC-ECD)、色谱分离-质谱检测器测定法(GC-MS)测量分析法测定样品中多种氟氯烃的浓度。
原理:利用色谱柱分离原理将氟氯烃从进样气体中逐一分离出来,由电子捕获检测器进行定量测定。
单个样品测量周期:小于60min。
分析物种数目:不少于10个。
(2)色谱分离-质谱检测器测定法(GC-MS)
原理:利用色谱柱分离原理将氟氯烃从进样气体中逐一分离出来,由质谱检测器进行定量测定。
系统构成:低温除水装置、定量进样单元、气相色谱分离单元、质谱检测器、真空泵单元、载气及辅助气体、标准气系列、数据采集记录单元。
4.6.1.2在线连续分析方法
利用空气泵连续采集环境空气样品,经过低温除水后,应用色谱分离-电子捕获检测器测定法(GC-ECD)、色谱分离-质谱检测器测定法(GC-MS),连续测定样品中多种氟氯烃的浓度。
原理:同4.6.1.1相应部分。
测量频率:>1/60min。
系统构成:进气管线、低温除水装置、定量进样单元、气相色谱分离单元、质谱检测器、真空泵单元、载气及辅助气体、标准气系列、数据采集记录单元。
4.6.2仪器安装、使用和维护要求
4.6.2.1现场采样
色谱分离-质谱检测器测定法(GC-MS)的各测量仪器单元包括:低温除水装置、定量进样单元、气相色谱分离单元、质谱检测器、真空泵单元、数据采集记录单元。
4.6.2.3实验室测量分析
除进气管线的安装要求外,其余要求同4.6.2.2。
同4.6.2.2。
第5章气溶胶类观测
5.1概述
为了精确地描述大气气溶胶物理化学性质的时空变化,评估和研究气溶胶的气候、生态、环境效应,需要对大气气溶胶的物理特性、化学特性、光学特性等进行测量。测量内容一般包括:气溶胶的质量浓度、数浓度及其它们的粒径分布、气溶胶单颗粒的形态等物理特性参数;气溶胶的元素组成、可溶性离子成分的组成、碳质成分的组成等化学特性参数;气溶胶的光学吸收系数、光学散射系数、总消光(如:光学厚度)等光学特性参数。
5.2质量浓度(PM1、PM2.5、PM10、TSP)
气溶胶质量浓度是单位体积大气中所含气溶胶的质量,单位为毫克每立方米(mg/m3),取4位小数;或微克每立方米(μg/m3),取1位小数。
根据测量粒径范围的不同,气溶胶质量浓度分别被具体称为:
总悬浮颗粒物(TSP)质量浓度:空气动力学粒径小于等于100μm的气溶胶总质量浓度。
可吸入颗粒物(PM10)质量浓度:空气动力学粒径小于等于10μm的气溶胶总质量浓度。
细颗粒物(PM2.5)质量浓度:空气动力学粒径小于等于2.5μm的气溶胶总质量浓度。
亚微米颗粒物(PM1)质量浓度:空气动力学粒径小于等于1μm的气溶胶总质量浓度。
5.2.1测量方法
5.2.1.1现场滤膜采样-实验室称重法
系统构成:采样器(含粒径切割器)、抽气泵、高精度电子天平、恒湿操作箱。
单个样品采样周期:不小于12hr。
适用范围:TSP质量浓度、PM10质量浓度观测。
5.2.1.2在线连续分析方法
(1)振荡微天平法
系统构成:进气管线(含粒径切割器)、水汽交换装置、振荡微天平单元、控制单元、抽气泵、数据采集记录单元。
测量频率:5min。
适用范围:PM2.5质量浓度、PM10质量浓度观测。
(2)激光散射法
原理:使用抽气泵抽取环境空气,首先通过水汽交换装置,降低空气样品的相对湿度至40%以下,再使样品空气通过激光散射测量腔。激光照射在样品空气中的颗粒物上发生散射,经反射镜聚焦后,由在同一水平面上与激光照射方向成一定角度的检测器接收散射光脉冲信号。根据接收到的脉冲信号频率和强弱,测量颗粒物的个数和粒径大小,再通过密度订正得到样品空气中颗粒物质量浓度。
系统构成:进气管线(含粒径切割器)、水汽交换装置、激光散射测量单元、控制单元、抽气泵、数据采集记录单元。
测量频率:1min。
适用范围:同时测量环境大气中的PM10、PM2.5和PM1的质量浓度。
5.2.2仪器的安装、使用和维护要求
5.2.2.1现场滤膜采样-实验室称重法
滤膜采样设备应安装在室外观测场
安装高精度电子天平的观测室应位于无地下室一层,室内无震动设备,清洁、干燥,温度变化平缓。高精度电子天平应安装在恒湿操作箱内,固定在稳固的工作台上。工作台一般应为水泥、石材或钢材等厚重材料制作。
(2)样品采样、称重和记录
采样时,人员应尽量从下风方向接近和操作采样器,并尽量避开大风、降水的天气。
采样期间,应随时查看采样流量是否稳定,注意观察是否有不正常的噪音或声响,如有异常情况,及时处理。
(3)维护
定期校准采样器流量。
定期校准高精度电子天平,注意防止灰尘、昆虫等进入恒湿操作箱。
5.2.2.2在线连续观测
观测室内的各测量仪器单元和数据采集记录单元等应集中安装在标准机柜中或专用、稳固的工作台上,放置在有温度控制的观测室内,全年温度变化范围为15-30℃,日温度变化幅度不大于5℃。仪器四周应留有足够的空间,以便于仪器的散热和检修。
进气管线应采用不锈钢或专用的金属-塑料复合管线,从仪器上方直立伸出观测室屋顶,总长度不宜超过7m。进气管线伸出屋顶的高度应在1.5-2m,四周无阻挡。
振荡微天平法的进气口应安装防虫网和PM10粒径切割器。如使用振荡微天平法观测PM2.5质量浓度,则在室内的进气管线上另外增加PM2.5粒径切割器。在振荡微天平法的进气口下5-10cm处安装环境温度传感器。
激光散射法的进气口应安装防虫网和TSP粒径切割器。温湿传感器应安装在室外延长管上,安装温湿传感器的防辐射罩应低于采样口约50cm。
抽气泵宜安装于室内地面,并采取适当的减震和降噪措施,避免气泵震动对测量设备的可能干扰。
仪器安装完成后,应进行系统检漏测试。
(2)使用和维护
表5-1振荡微天平法仪器设备使用维护要求
表5-2激光散射法仪器设备使用维护要求
5.3黑碳气溶胶质量浓度
黑碳气溶胶浓度是指单位体积空气中黑碳气溶胶的质量浓度,单位为纳克每立方米(ng/m3),取一位小数。
黑碳气溶胶是化石燃料和生物质不完全燃烧生成的具有高度芳香化结构的含碳气溶胶粒子。元素组成以碳为主,其次为氢、氧、氮、硫。黑碳气溶胶对可见光和红外辐射有强烈的吸收作用,是大气气溶胶中最主要的吸光物质。
5.3.1测量方法
(1)光学衰减法
原理:利用抽气泵连续抽取空气样品通过石英滤膜,空气样品中的颗粒物不断沉积在石英滤膜上,使得照射其上的测量光束的透射衰减持续增加。测量某一时段前后测量光束透射衰减的增量,根据该时段的累计采样体积、以及黑碳气溶胶的当量吸收系数,计算得到黑碳气溶胶的浓度。
系统构成:进气管线、黑碳仪、零气过滤器。
(2)多角度吸收光度法
系统构成:进气管线、多角度吸收光度仪、零气过滤器。
5.3.2仪器的安装、使用和维护要求
仪器安装于室内专用、稳固的工作台上或机柜中。仪器四周应留有足够的空间,以便于仪器的散热和检修。
采样管线应采用不锈钢或具有导电性的专用塑料管线,总长度不应超过10m。采样管线不应盘绕,必须弯折时,其曲率半径不应小于0.5m,并应妥善固定。采样管的进气口位于室外,进气口距观测室顶部平台的高度应为1.5~2m。采样管口处应安装防虫网和防雨帽,避免雨水进入采样管内部。
仪器安装完成后,应进行检漏测试。
(2)使用和维护见表5-3
表5-3黑碳气溶胶仪器设备使用维护要求
5.4气溶胶散射系数
气溶胶散射系数,是表征大气气溶胶散射造成辐射能量衰减程度的物理量,数值上等于单位体积中所有气溶胶粒子散射截面之和,单位为兆米分之一(Mm-1),取1位小数,其它常用单位为米分之一(m-1)、(km-1)。
大气颗粒物通过散射和吸收两种方式消弱大气中辐射能量的传播,但是散射作用远强于吸收,是整个消光作用的最主要部分。环境大气中,颗粒物的散射使得能见度下降,减弱到达地表的太阳辐射,从而影响整个地气系统的辐射收支,影响全球环境和气候的变化。对气溶胶散射和吸收特性的度量就是气溶胶的散射系数和吸收系数,这两个系数之和为气溶胶的消光系数。
5.4.1测量方法
采用积分式散射测量设备测量气溶胶积分散射系数。
原理:使用余弦光源照射积分测量腔室中的空气样品,根据测量到的气溶胶颗粒的散射光强度和积分空间的几何参数,计算气溶胶颗粒的积分散射系数。根据测量波长的设计不同,通常分为单波段和多波段两种类型。
系统构成:进气管线、积分式散射测量设备、标准气单元、数据采集单元。
测量频率:1-5min。
5.4.2仪器的安装、使用和维护要求
积分式散射测量设备安装于室内专用、稳固的工作台上或机柜中。仪器四周应留有足够的空间,以便于仪器的散热和检修。
采样管线应采用不锈钢或具有导电性的专用塑料管线,总长度不应超过10m。采样管线不应盘绕,必须弯折时,其曲率半径不应小于0.5m,并应妥善固定。采样管的进气口位于室外,进气口距观测室顶部平台的高度应为1.5~2m。如采样管口处应安装防虫网和防雨帽,避免雨水进入采样管内部。
(2)使用和维护见表5-4
表5-4气溶胶散射系数设备使用维护要求
5.5整层大气气溶胶光学厚度
整层大气气溶胶光学厚度,指从地面到大气上界垂直路径中气溶胶消光系数的总和,量纲为1,取三位小数。
整层大气气溶胶光学厚度可反映整层大气气溶胶粒子对太阳辐射的消光作用。世界气象组织的全球大气观测网(WMO-GAW)将大气气溶胶光学厚度的观测作为基本观测项目,目的是对全球大气气溶胶的变化趋势进行长期观测,进而研究其对全球和局地气候变化的影响。同时气溶胶光学厚度的地基观测结果,也是对卫星光学遥感校准的一种重要的手段。
5.5.1测量方法
原理:使用在可见光至近红外波段有若干个光谱通道的太阳光度计,通过自动跟踪太阳,测量不同波长的太阳直接辐射,获得不同波段大气消光系数,通过反演技术从而可以获取气溶胶光学厚度。
系统构成:太阳光度计、电源单元、数据采集单元。
测量频率:30min。
5.5.2仪器的安装、使用和维护要求
应安装于室外空旷、周边障碍物的高度小于5度的地方。
仪器应稳固安装在专用支架上,并确保仪器光学传感器水平。
根据仪器跟踪太阳情况,调整仪器位置,确保仪器能准确跟踪太阳。
(2)使用和维护见表5-5
表5-5太阳光度计使用维护要求
5.6气溶胶滤膜采样
5.6.1采样方法
系统构成:滤膜(直径47mm,石英纤维、Teflon滤膜或玻璃纤维滤膜)、粒径切割器、便携采样器。
采样频率:24hr。
5.6.2仪器的安装、使用和维护要求
选择一个相对高于周围环境的采样点(如房顶、观测塔顶等),将采样器固定在竖直杆上或水平放置在平整的表面或台架上。
当遇有大风等天气时,进行适当的加固,确保采样器不被吹倒。
根据所要分析化学组分的不同,选用不同材质的采样膜。
(2)使用和维护见表5-6
表5-6气溶胶滤膜采样设备使用维护要求
5.7垂直廓线
5.7.1测量方法
激光雷达主要由激光器、发射和接收光学系统、高灵敏度光电探测器、高速多道计数器,以及控制和数据处理软件等组成。激光雷达主要有微脉冲激光雷达、米散射激光雷达、双偏振激光雷达、拉曼激光雷达等。
5.7.2仪器的安装、使用和维护要求
应安装在恒温、清洁的实验室内;室内温度控制在10-30℃之间。
实验室顶部应根据激光雷达发射接收望远镜的大小开一个凸出层顶的观测窗,观测窗上应安装具有较高透明度、均匀的白玻璃或石英玻璃;天窗玻璃倾角为3-5度。观测窗应具有较好的密封、防尘、防风和防水功能。
应保持观测窗玻璃的清洁。
应根据激光器的特性,制定激光雷达的工作方式,以最大限度地获取观测数据和发挥仪器的性能。
应定期检查仪器回波情况,必要时应及时更换光源。
5.8能见度
能见度是地面气象观测的基本要素之一,降水、雾、大风、沙尘暴、扬沙等都会对能见度产生影响。空气中的颗粒物对光具有吸收和散射的作用,颗粒物浓度的增加会导致大气透明度降低,使大气能见度恶化。能见度的变化常常反映了环境空气质量的优劣,是空气中颗粒物污染的重要标志,对保证交通安全、改善大气环境质量和防灾减灾有重要意义。
5.8.1测量方法
仪器观测能见度是基于气象光学视程(MOR)定义并通过计算大气消光系数来间接获得的。依据能见度的观测原理,能见度仪主要有散射式能见度仪、透射式能见度仪等多种类型。
(1)散射式测量法
光通过大气被衰减是由悬浮在大气中的固体和液体微粒的吸收和散射引起的。对可见光和近红外光,吸收远小于散射,故吸收因素可以忽略,而由水滴的反射、折射或衍射产生的散射成为影响能见度的主要因素。可以认为消光系数(透射系数)近似等于散射系数。通过测量散射系数就可测出气象光学视程。
仪器测量散射系数的方法又包括有前向散射、后向散射等测量方法。
前向散射法:发射器和接收器光轴交角大于90°,接收器接收发射器发送的一束光在某一段路经上的一小块空气前向20°~50°方向的散射光强,据此测空气的散射系数,计算MOR。前向散射测量MOR接近透射测量MOR,故是目前测量能见度产品使用最为广泛的一种方法。
后向散射法:发射器和接收器光轴交角小于90°,接收器接收发送器发送的一束光在某一段路经上的一小块空气向光束发射方向的后方的散射光强,据此测空气的散射系数,计算MOR。
(2)透射式测量法
发射器发出恒定的光通量源,接收器检测出发射器发出的经光传输的光路上空气柱衰减后的光通量,从而得到光通过的空气柱的透射系数,根据测得的透射系数计算出MOR。
5.8.2仪器的安装、使用和维护要求
安装地点应能很好地代表周围的能见度情况。
发射器和接收器之间应无障碍物,周围无干扰观测的地面反射物。
接收器和发射器不应指向强的光源或明亮的日光。
(2)使用和维护见表5-7
表5-7散射式能见度仪使用维护要求
5.9气溶胶数浓度谱
大气气溶胶的数浓度谱是指单位体积空气中气溶胶粒子个数随粒径的分布。观测对认识气溶胶的形成及其在气候、环境和健康的影响有重要作用。由于大气中气溶胶粒子尺度在2纳米~几十微米,没有单一原理的仪器能够测量这样大尺度范围的粒子大小,需要根据大气气溶胶不同的尺度范围,使用不同的原理对大气气溶胶的粒子谱进行观测。利用电颗粒在电场中的电迁移测量(DMA)可以检测几个纳米~1个微米以下的颗粒物的数浓度,结合光学测量或粒子动力学粒径分离技术,可以获得更宽范围粒子谱的分布。
气溶胶数浓度谱是,常用单位为m-3,cm-3。
5.9.1测量方法
(1)扫描电迁移法
扫描电迁移粒子谱仪SMPS(ScanningMobilityParticleSizer)属于差分迁移分析技术(DMA,DifferentialMobilityAnalyzer)类型的数谱观测仪器,其基本原理是利用DMA筛选一定粒径的气溶胶,然后用凝结和计数器(CPC,CondensationParticleCounter)计数浓度,从而以扫描粒径的方式得到气溶胶的数谱分布。同属此类的还有DMPS(DifferentialMobilityParticleSizer),两者的基本结构和原理相同,只是工作方式稍有区别。SMPS的粒径测量上限都在1微米以下,测量下限一般为3nm~10nm左右。
SMPS包含三个基本模块:气溶胶中和器,DMA和CPC。气溶胶中和器是一个弱的β放射源,它的作用是使样本气溶胶的带电量达到稳定的概率分布。DMA是差分电迁移分析器,当带电粒子进入DMA后,在电场作用下发生迁移,通过给DMA加不同的电压,即可以实现筛选不同粒径气溶胶的目的。将DMA筛选出的气溶胶通入CPC计数,可得到此粒径上气溶胶的浓度。这样,连续改变DMA上的电压,筛选不同粒径粒子测量其数浓度,就可得到气溶胶数浓度谱分布。
(2)空气动力学粒径谱法
5.9.2仪器的安装、使用和维护要求
将仪器安置于室内水平台面上,采样管应垂直接入测量系统。
在进气口上游应安装干燥除湿装置。
采样管进气口处可根据需要加装一定粒径的切割装置。
系统安装完成后,应进行检漏测试。
应使用专用管线将系统排出的正丁醇排至室外下风方向。
SMPS系统使用和维护要求如下:
每日应清洁切割器并在撞击面上均匀涂抹一层硅油。
每周给CPC加正丁醇,保证足够的正丁醇量。
每3月对仪器的壳气和样气流量进行一次标定。
每6月需要对DMA进行拆解清洁。
每12月应更换壳气流路中的高效过滤器。
APS系统使用和维护要求如下:
每月清洁一次喷嘴。
每年需要更换仪器内部的高效过滤器。
每年利用标准粒径粒子测试APS对粒径的确定是否准确。
第6章反应性气体
6.1概述
反应性气体是指大气中的一类化学反应活性较强的气体成分,其种类繁多、时空变化很大。反应性气体经过大气化学转化可形成气态和细颗粒污染物,影响大气氧化特性和降水酸度,进而对气候、生态系统和人体健康等造成危害。目前开展业务观测的是反应性气体中最基本的测量项目,主要包括地面臭氧(O3)、二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)等的大气浓度。
6.2地面臭氧(O3)浓度
地面臭氧浓度为臭氧摩尔数与同体积内全部分子摩尔数之比,用十亿分之一(ppb,10-9或nL/L)表示,取1位小数。常用的单位还有μg/m3或mg/m3。标准状况(273K,1013.25hPa)下,1ppbO3约为2.14μg/m3O3。地面臭氧变化范围大约通常在10-100ppb。在污染较重的一些城市及其下风向地区,臭氧浓度可降至10ppb以下,或超过100ppb。
6.2.1测量方法
在线测量臭氧的方法有多种,其中紫外光度法具有准确度高、干扰较少、易于操作和可连续测量等特点,是使用最普遍的方法,也是世界气象组织国际臭氧校准中心的标准技术方法。
紫外光度法的原理:测量流动空气样品中臭氧分子对254nm紫外光的吸收。基于紫外吸收强度、臭氧吸收系数、测量光程长度、测量池温度和气压等,可以由计算得到样品气中臭氧的浓度。
系统结构:进气系统、颗粒物过滤器、流量控制单元、抽气泵、测量池、温度传感器、压力传感器、紫外光源、信号采集单元、系统控制单元、数据显示与处理单元、零气源、标定仪、动态稀释仪等。
测量方式:在线连续观测。
6.2.2仪器的安装、运行和维护要求
把采样管连接到仪器后面板的采样口(通常标为“SAMPLE”)。安装前要确认采样管内壁没有被灰尘等污染。采样管的材料应为聚四氟乙烯(特氟隆,Teflon),外径为1/4英寸,内径不小于1/8英寸,长度应小于3米。
进入仪器的气体的压力和环境气压应相同,必要时应加装旁路排气装置。
用一段管线(小于5米)从仪器的排气口(通常标为“EXHAUST”)连接到下风方的排放口或公用的废气排放口。在仪器的颗粒物过滤器内安装直径为47mm、孔径为2-5μm特氟隆过滤膜。
(2)运行和维护
应经常检查分析仪屏幕显示的浓度值是否在正常范围内,屏幕上如有报警信息应及时检查和报告,并记录在值班记录上。
随时注意发现各种异常问题,如各种连接件断开或松动,Teflon管破裂或粘连,过多的灰尘积累在仪器上引起仪器过热、短路而造成元器件损坏。
每两日至少应进行一次零检查,每周进行一次跨检查。应注意检查结果与前几次相比是否有较大变化,必要时查找原因或向业务管理部门汇报。对仪器的调整应在校准或零/跨点检查后完成。
每周至少检查一次臭氧分析仪的运行参数。
每周检查仪器背部的风扇过滤网。如有灰尘沉积,应及时取下,用清水冲洗、晾干后,再装回去。
每月应检查流量和进行漏气试验。
每6个月(有条件时每3个月)应至少对仪器进行一次多点校准。
每6个月应至少对采样泵进行一次检查和维护。
每年至少一次清洁仪器内部。
每年至少一次清洗进气管或进气总管。
6.2二氧化硫(SO2)浓度
二氧化硫浓度为二氧化硫摩尔数与同体积内全部分子摩尔数之比,用十亿分之一(ppb,10-9或nL/L)表示,取2位小数。常用的单位还有μg/m3或mg/m3。标准状况(273K,101.325kPa)下,1ppbSO2约为2.86μg/m3SO2。我国二氧化硫浓度通常在100ppb以下,但在污染较重的一些城市及东部地区可超过100ppb。
脉冲紫外荧光法为世界气象组织推荐的二氧化硫测量方法,也是目前最常采用的测量方法。
系统结构:进气系统、颗粒物过滤器、流量控制单元、抽气泵、测量池、温度传感器、压力传感器、脉冲紫外光源、荧光信号采集单元、系统控制单元、数据显示与处理单元、标准气、零气源、动态稀释仪等。
把采样管连接到仪器后面板的采样口(通常标为“SAMPLE”)。安装前要确认采样管内壁没有被灰尘等污染。采样管的材料应为特氟隆,外径为1/4英寸,内径不小于1/8英寸,长度在有共线式进气管时应小于3m,无共线式进气管时可延长至5m。
从仪器排气口把排气管连接到下风方的排放口或公用的废气排放口
在仪器的颗粒物过滤器内装上直径为47mm、孔径为2-5μm特氟隆过滤膜。
每日应进行一次零/跨检查。应注意检查结果与前几次相比是否有变化,必要时查找原因或向业务管理部门汇报。对仪器的调整应在校准或零/跨点检查后完成。
每日检查并记录标准气瓶的压力,压力<2MPa时应及时更换。
每周至少检查一次二氧化硫分析仪的运行参数。
每3个月(有条件时每1个月)应至少对仪器进行一次多点校准。校准测量时使用与正常测量时一样的量程、采样管和滤膜,以及仪器输出记录和显示设备。
6.3一氧化碳(CO)浓度
一氧化碳浓度为一氧化碳摩尔数与同体积内全部分子摩尔数之比,用十亿分之一(ppb,10-9或nL/L)表示,取整数;在浓度较高的站点也可用百万分之一(ppm,10-6或μL/L)表示,取2位小数。常用的单位还有μg/m3或mg/m3。标准状况(273K,101.325kPa)下,1ppbCO约为1.965μg/m3CO,1ppmCO约为1.965mg/m3CO。我国一氧化碳浓度通常在100ppb至10ppm范围,污染较重的城市地区可超过10ppm。
6.3.1测量方法
6.3.2仪器的安装、运行和维护要求
把采样管连接到仪器后面板的采样口。安装前应确认采样管内壁没有被灰尘等污染。采样管的材料应为特氟隆,外径为1/4英寸,内径不小于1/8英寸,长度在有共线式进气管时应小于3m,无共线式进气管时可延长至5m。
用一段管线(小于5米)从仪器的排气口连接到下风方的排放口或公用的废气排放口。
每日至少应进行一次零/跨检查。应注意检查结果与前几次相比是否有较大变化,必要时查找原因或向业务管理部门汇报。对仪器的调整应在校准或零/跨点检查后完成。
6.4一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)和氮氧化物(NOx)浓度
氮氧化物(NOx)是一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)的总和,其浓度为氮氧化物摩尔数与同体积内全部分子摩尔数之比,用十亿分之一(ppb,10-9或nL/L)表示,取2位小数。氮氧化物常用的单位还有μg/m3或mg/m3。标准状况(273K,101.325kPa)下,1ppbNO约为1.34μg/m3NO,1ppbNO2约为2.05μg/m3NO2。我国氮氧化物浓度通常在100ppb以下,但在污染较重城市和一些东部地区可明显超过100ppb。
6.4.1测量方法
氮氧化物测量要分别测量一氧化氮和二氧化氮,通常均采用化学发光法测量。
化学发光法的原理:样品气中的NO分子和仪器产生的过量O3反应后生成激发态的NO2分子,其衰减到低能态时会释放出红外光,发光强度与NO浓度呈线性关系。当使用该方法测量NO2时,首先必须将NO2经转化还原成NO。在这种模式下测得的为NO和经NO2转化后的NO的浓度之和,即NOx浓度,直接测量模式测得的是NO浓度,两者间的差值即为NO2浓度。目前最常用的转化设备是钼转化炉(转化温度约为325℃)。该设备成本较低,但易引人正偏差。更可靠的转化设备是光解转化器,但其价格较为昂贵。
系统结构:进气系统、颗粒物过滤器、流量控制单元、抽气泵、臭氧发生器、反应池、测量池、温度传感器、压力传感器、信号采集单元、系统控制单元、数据显示与处理单元、标准气、零气源、动态稀释仪、废气处理单元等。
6.4.2仪器的安装、运行和维护要求
把采样管连接到仪器后面板的采样口。安装前要确认采样管中没有被灰尘等污染。采样管的材料应为特氟隆,外径为1/4英寸,内径不小于1/8英寸,长度在有共线式进气管时应小于3米,无共线式进气管时可延长至5米。
将空气干燥管联接到仪器后面板的DRYAIR接口处。
用一段管线(小于5米)从仪器的排气口连接到下风方的排放口或公用的废气排放口。若不具备将废气引向室外的条件,应将排气管连接到一个臭氧去除器(活性炭)。
每日应进行一次零/跨检查。应注意检查结果与前几次相比是否有较大变化,必要时查找原因或向业务管理部门汇报。对仪器的调整应在校准或零/跨点检查后完成。
如采用活性碳去除废气中的臭氧,每3个月应更换活性炭。
每3个月(有条件时每1个月)应对仪器进行一次多点校准。校准测量时使用与正常测量时一样的量程、采样管和滤膜,以及仪器输出记录和显示设备
6.5氨(NH3)浓度
氨浓度为氨摩尔数与同体积内全部分子摩尔数之比,用十亿分之一(ppb,10-9或nL/L)表示,取2位小数。常用的单位还有μg/m3。标准状况(273K,101.325kPa)下,1ppbNH3约为0.76μg/m3NH3。我国氨浓度通常在50ppb以下,但在污染较重的一些城市地区可接近甚至超过100ppb。
6.5.1测量方法
氨的连续测量通常采用间接的化学发光法。也可以采用高灵敏的光吸收技术或用浸渍化学药品的膜采样后进行实验室分析。
化学发光法的原理:需要先将NH3高温转化为NO,然后用化学发光法测量转化的NO。样品气中NH3转化产生的NO分子和仪器产生的过量O3反应后生成激发态的NO2分子,其衰减到低能态时会释放出红外光,发光强度与NO浓度呈线性关系,从而也与NH3浓度呈线性关系。由于大气中同时有NO2存在,转化NH3的同时NO2也会被转化为NO,所以需要用不同的转化炉分别将NO2和(NO2+NH3)转化,测量NO2和和(NO2+NH3)转化后获得的总信号NOx和Nt。Nt与NOx相减可得NH3的信号。实践中通常用一套设备同时测量NO、NO2和NH3。
系统结构:进气系统、颗粒物过滤器、NO2转化炉、NH3转化炉、流量控制单元、抽气泵、臭氧发生器、反应池、测量池、温度传感器、压力传感器、信号采集单元、系统控制单元、数据显示与处理单元、标准气、零气源、动态稀释仪、废气处理单元等。
6.5.2仪器的安装、运行和维护要求
把采样管连接到仪器后面板的采样口。安装前要确认采样管中没有被灰尘等污染。采样管的材料应为特氟隆,外径为1/4英寸,内径不小于1/8英寸,长度在有共线式进气管时应小于3米,无共线式进气管时可延长至5米。为避免氨在进气管内壁的损失,可对进气管线进行加热。
6.6挥发性有机物(VOCs)浓度
挥发性有机物一般指大气中以气态存在的有机化合物(但不包括甲烷),其种类非常繁多,但通常能测量的大约几十至上百种。某一种挥发性有机物浓度为其摩尔数与同体积内全部分子摩尔数之比,用十亿分之一(ppb,10-9或nL/L)表示,取2位小数。常用的单位还有ppbC,相当于某种挥发性有机物ppb为单位的浓度乘以该有机物分子中的碳原子个数之后所对应的浓度单位。我国清洁地区挥发性有机物总浓度通常在10ppbC至100ppbC之间,但在污染较重的一些城市地区可达数百甚至上千ppbC。
6.6.1测量方法
挥发性有机物可采用现场采样-实验室分析和现场在线测量两种方法。现场采样一般采用内表面钝化处理过的不锈钢采用罐,也可以采用充填了吸附材料的吸附采样管。采集后的样品需要转移到一个富集(预浓缩)冷阱,经过富集后才能分析。现场在线测量也需要将室外空气抽吸经过冷阱富集后再进行分析。无论哪种测量方式,对有机物的分析方法可以是一样的。通常采用的定性和定量分析方法是热解吸-气相色谱-火焰离子化检测法和热解吸-气相色谱-质谱联用法。
热解吸原理:富集后的有机物样品在较低温度下通入高纯载气(氮气或氦气),将样品中残留的氧气、水气、二氧化碳等携带至旁路排出。然后切换载气流路,迅速加热样品,使有机物从冷阱中解吸出来,被载气携带到色谱分离系统。冷阱冷却到设定低温后可富集下一个样品。
火焰离子化检测原理:从色谱分离柱中流出的有机物,在以氢气作燃料的火焰中被离子化,形成离子基团,离子被电极收集并经过信号放大,信号强弱与火焰中的碳原子数成正比,因此可作为检测有机物浓度的信号。
质谱检测原理:从色谱分离柱中流出的有机物分子进入质谱后,被其中的离子源带上电荷,并形成各种碎片。不同碎片的质量与其所带电荷的比例(质荷比)不同,当经过电场时,沿着不同的路径偏转移动,最后被检测器不同部位电荷收集器收集。在一定的条件下,一个有机物分子形成的各种碎片的比例是相对固定的,可以利用这一点来鉴定有机物。根据有机物的一种或多种碎片信号的强度可以确定有机物的含量。
定量分析原来:无论采用哪种检测方法,定量分析都是通过比样品中各有机物所产生的检测信号(色谱峰面积、峰高、质谱的离子强度等)与相应标准物质或参比物质所产生的信号来实现的。通常需要用标准物质制作多点的工作曲线,建立有机物浓度与检测信号的对应关系,然后用工作曲线计算样品中有机物浓度。在质谱检测中,通常还需要采样内标法来克服系统信号较大波动造成的影响。当采样和分析系统存在显著的空白信号时,需要采取扣除空白信号的方法来获取更准确的结果。
系统结构:采样罐及其清洗设备、采样管及其清洗设备、颗粒物及臭氧去除部件、采样泵、热解吸仪、气相色谱仪、火焰离子化检测器、质谱检测器及其配套的高真空设备、色谱分离柱、液氮或干冰容器及供给系统、高纯气体供给系统(氮或氦、合成空气、氢气)、流量及压力控制系统、系统控制及数据采集与处理系统、有机物混合标准气体、标准气体稀释系统、等等。
测量方式:现场采样-实验室分析;现场在线准连续观测。
6.6.2仪器的安装、运行和维护要求
采样:在线测量系统用特氟隆管或经过钝化处理的不锈钢管(外径为1/4英寸,内径不小于1/8英寸,长度小于5米)将空气从室外直接引到热解吸系统的进气口。用采样罐进行现场等压采样时,将颗粒物及臭氧去除器、限流器或定时器、采样罐依次连接。用采样罐进行现场加压采样时,将颗粒物及臭氧去除器、采样泵(压缩)、限流器、压力表、采样罐等依次连接。用采样管进行现场采样时,将颗粒物及臭氧去除器、采样管、限流器、定时器、采样泵(抽吸)等依次连接。
分析系统:将载气用清洁的紫铜管(外径1/8英寸,内径不小于1/16英寸)分别连接到热解吸仪和色谱仪的相应入口。将合成空气、氢气紫铜管(尺寸如上)分别连接到色谱仪的相应入口。将色谱分离柱稳妥地安装在柱炉中,采取支架悬挂的方法,使其与柱炉的表面没有直接接触。用一根尺寸匹配的、不含固定相的熔硅毛细柱,与色谱柱的入口相连,并将该熔硅毛细柱穿过可加热和控温的保护套,再连接到热解吸仪的样品解吸出口。将色谱柱的出口端连接到火焰离子化检测器或质谱检测器。将各种电源线、控制信号线、数据采集线安仪器说明要求正确连接到仪器、控制模块、计算机等部位。安装系统控制及数据采集与处理等软件。
标准稀释系统:将高浓度标准气经过惰性不锈钢材料的双级减压阀和惰性不锈钢管连接到稀释配气仪的相应入口。将高纯氮气经减压阀和清洁的不锈钢管连接到稀释配气仪的相应入口。用清洁的不锈钢管将配气仪的出口与用来存贮稀释后的标准气的容器相连接。
采样罐清洗系统:将高纯氮气经减压阀和清洁的不锈钢管连接到清洗仪的相应入口。用不锈钢管将真空泵与清洗仪的出口相连。将使用后的采样罐经过单通道或多通道的、耐真空的专用不锈钢管连接到清洗仪的抽吸和冲洗口。
采样管清洗系统:将高纯氮气经减压阀和清洁的不锈钢管连接到清洗仪的相应入口。将单个或多个需要清洗的采样管的吸附性能较强的端口插入高纯氮气的出口。将待清洗采样管稳妥地插入清洗仪的高温加入腔体。
每日应检查各种正在使用中的高压气瓶的气压以及液氮液位,判断有无泄漏以及是否需要更换,必要时进行堵漏和更好处理。
每日检查并记录分析系统的各种检测信号、温度、气压、流量等参数的读数,判断其是否在正常范围,如不正常,应进行恰当的维护维修。
每日应进行一次空白样和单标样分析。应注意将分析结果与前几次相比是否有较大变化,必要时查找原因或向业务管理部门汇报。
随时注意发现各种异常问题,如各种连接件断开或松动,管路破裂,过多的灰尘积累引起仪器过热、短路而造成元器件损坏。
每周进行一次不少于5点的多点标定,制作各挥发性有机物的工作曲线,并注意与前几次的结果进行比较。
每月对色谱柱进行一次1小时左右的烘烤,烘烤温度可比日常分析最高温度高5-10摄氏度,但不超过其最大允许温度。
每次采样前应对采样罐和采样管进行清洗和密封。现场采样前应检测是否有泄漏或松动,如出现此类问题不应使用。
每月应检查热解吸系统的气密性,如气密性不良,应检查原因,并进行必要的处理(如更换老化的密封圈等)。
每3个月应检测热解吸等系统中的颗粒物过滤膜,并及时更换污染或错位的膜片。
每6个月应至少对采样和分析系统的气泵进行一次检查和必要的维护。
每年至少一次清洁仪器内部、进气管或进气总管。
第7章臭氧总量
7.1概述
臭氧层损耗是指大气臭氧总量出现长期减低趋势的现象。由于大气臭氧主要分布在上对流层和下平流层(uppertroposphereandlowstratosphere,UT-LS),因此,臭氧层损耗主要是UT-LS高度层的臭氧损耗。臭氧层常以臭氧总量概念来描述,是从地面到大气顶内所有臭氧浓度沿垂直高度的积分值。臭氧总量单位是Dobson,简称DU。1DU是指一个标准大气压、273.15K时臭氧厚度为10-5m。
7.2测量方法
目前主要有三种仪器用于大气臭氧柱总量观测,它们都是根据臭氧对不同波长的太阳紫外辐射有着不同的吸收率的原理来进行测量的。
Dobson光谱光度计:应用双单色仪,比较测量几对固定波长上的太阳紫外辐照度,每对波长中,一个是臭氧的强吸收,一个是弱吸收。根据由仪器的标定系数、臭氧吸收截面、太阳相对位置等计算得到臭氧总量。
M-124臭氧仪:应用的是与Dobson光谱光度计相同的差分吸收原理,使用窄带滤光片选择测量波长。但是不如Dobson光谱仪光度计和Brewer光谱光度计准确。
Brewer臭氧分光光谱仪:根据臭氧对紫外辐射的吸收特性,通过准确地跟踪太阳(或月亮),应用衍射光栅和狭缝选择测量紫外波段的5个波长(306.3nm、310.0nm、313.5nm、316.8nm、320.0nm),基于差分吸收的原理反演计算出臭氧总量(同时能给出二氧化硫总量)。中国气象局的臭氧总量观测使用的是Brewer臭氧分光光谱仪。
7.3仪器的安装、运行和维护要求
仪器的安装要求如下:
仪器架设地点东、南、西三个方向上障碍物的遮挡角应小于5°。
太阳天顶角低于75°时,对太阳和月亮有良好的视野。
仪器附近应有良好的接地和防雷保护设施,接地电阻应小于4Ω。
仪器附近应有220V、不小于2KVA的交流稳压供电和不间断电源。
仪器附近(一般为15m之内)应有可安装计算机的工作用房。
三角架上的标记符号“N”一侧对磁北。
三角架应有固定措施,以保证仪器在恶劣天气条件下仍保持稳定。
仪器周围如有围栏保护时,仪器石英窗底部应高于围栏高度
通过调节三角架三个支脚的相对高度,确保水平跟踪器在360°范围内转动时始终处于水平状态。
紧固其底部与水平跟踪器联接的四个螺丝。
光谱仪在360°范围内转动时始终处于水平状态
正确连接光谱仪电源线中的火线、地线和零线。
仪器机壳通过专用的接地端子良好接地,接地电阻应小于4Ω。
仪器室外电源线、信号线接入室内的计算机前,应有防雷保护装置。
日常运行检查要求如下:
每日应对石英窗和半球形石英玻璃罩进行清洁,当发现内部有水汽凝结时就及时清除。
每二个月应至少清洁一次水平跟踪器内部转盘。
第8章干湿沉降
8.1概述
大气沉降是地—气系统物质交换的一种重要形式,包括干沉降和湿沉降。干沉降是气溶胶和气体在无降水时从大气中输送到地球表面并被捕获的过程;湿沉降则是降水携带气溶胶粒子和气体输送到地球表面的过程。干沉降是一种缓慢而连续的过程,湿沉降则高度集中于降水时段的快速传输过程。
有关酸雨观测方法参见《酸雨观测业务规范》,本部分只对降尘总量和降水可溶性离子成分浓度进行规范。
8.2总降尘量
大气总降尘量是从大气中自然降落在地面每平方米面积上的固态物质的质量,以g.m-2.mon-1为单位,取3位小数。
大气降尘既包括以干沉降方式降落的大气颗粒物,也包括通过湿(降水)沉降方式降落的各类固态物质。
8.2.1测量方法
原理:在集尘缸中注入少量纯净水,使得落入其中的颗粒物等不在扬起。定期收集集尘缸中采集到的干沉降样品,经烘箱蒸发、干燥,用精密分析天平称量,再计算出大气降尘总量。
系统构成:集尘缸(含支架)、烘箱、精密天平。
测量频率:1月。
8.2.2仪器的安装、使用和维护
集尘缸安放在观测场内的支架上,集尘缸缸口平面距地面1.5m。
按有关规定进行大气降尘采样。
雨季采样时,应注意防止雨水将缸内注满溢出,造成样品流失,必要时应更换干净的集尘缸,继续收集,称量时将样品合并处理和计算。干燥季节,要随时向集尘缸内补充纯水,保持集尘缸内有不少于300ml水或溶液。
为防止冬季结冰,集尘缸内按1:4加入乙醇溶液。
夏、秋季节,应在集尘缸内加入晶体硫酸铜,防止细菌和藻类产生。
如发现集尘缸内有异物,如藻类、菌类,鸟粪、昆虫或树叶等,应在烘干处理前剔除,并记录剔除异物的种类和数量。
应记录采样期间发生的天气状况,每日的温度,压力,降水状况,风速风向等气象数据。
8.3降水可溶性离子成分浓度
降水可溶性离子成分浓度,指降水中9种主要可溶性离子成分:硫酸根(SO42-)、硝酸根(NO3–)、氯离子(Cl–)、氟离子(F–)、铵离子(NH4+)、钾离子(K+)、钠离子(Na+)、钙离子(Ca2+)和镁离子(Mg2+)的摩尔浓度,单位为毫摩尔每升(mmol/L),取三位小数。
从降水可溶性离子成分的组成,可以追踪了解到大气-海洋-冰雪-地壳等不同圈层间自然物质循环过程的信息。在酸雨污染地区,连续测量降水中可溶性离子成分的含量,能使我们深入分析酸雨污染的形成机制,为防治酸雨提供科学依据。
8.3.1测量方法
原理:降水可溶性离子成分浓度的观测包括降水样品采集和实验室样品分析。在室外用降水采集器采集降水样品,再用离子色谱法和原子吸收分光光度法测量样品中9种可溶性离子的摩尔浓度。
离子色谱法:让液体样品流过离子交换树脂柱,利用不同离子成分在离子交换树脂上吸附—解吸性质的差异,使样品中的离子成分分离后顺序进入一个电导检测器,连续检测色谱分离的离子含量。离子色谱法适用于硫酸根(SO42-)、硝酸根(NO3–)、氯离子(Cl–)、氟离子(F–)、铵离子(NH4+)、钾离子(K+)、钠离子(Na+)的分析测定。
原子吸收分光光度法:将液体样品注入乙炔火焰中气化,利用被测元素(离子)在特征吸收谱线区对入射光源的吸光度与被测元素含量成正比的关系,定量测定样品中元素(离子)含量。原子吸收分光光度法适用于金属离子,如:钾离子(K+)、钠离子(Na+)、钙离子(Ca2+)、镁离子(Mg2+)浓度测定。
系统构成:
采样现场:采样器、样品容器、冰箱、储运箱。
实验室:离子色谱仪、原子吸收分光光度仪、冰箱。
测量频率:降水日,24hr。
8.3.2降水采样
降水采样可选择手工采样或自动采样。
手工采样:使用专用的带盖采样桶,内置洁净、专用的采样袋,在降水开始时人工将采样桶盖打开,采集降水样品;在降水结束时,再将采样桶盖盖回。
自动采样:在通常状态(即无降水时),采样桶盖将采样桶盖住,采样桶内装有洁净、专用的采样袋,当降水开始时,由于降水感应器表面变湿,感应器格栅间的电路由断变通,控制箱内的双向电机驱动桶盖,打开采样桶以采集降水样品。当降水终止后,由于降水感应器表面残留水分的挥发,格栅间的电路又由通路变为断路,控制箱内的双向电机驱动桶盖重新盖回到采样桶上。
8.3.3仪器的安装、使用和维护
人工采样和自动降水采样设备应安装在气象观测场内。
降水采样器的采样桶口沿距地高度不低于1.2m。
应用专用的采样袋采集降水样品。
采样袋应与采样桶壁贴合紧密,采样桶及采样袋应安装紧固,以免被大风吹落。
每日应检查采样器的工作状态,确认在无降水过程时,采样桶盖应密闭于采样桶上;在有降水发生升时,采样桶盖处于打开状态。
在雾、霜以及高湿天气条件下,应随时检查,以确认采样桶盖是处于关闭状态。
在有冰雹等固态降水时,应随时检查采样桶盖是否打开。
每月应对采样器的工作情况进行检查,并清洁采样桶和采样桶盖。
每次采样开结及结束后,应及时填写采样记录表。
第9章其他观测
9.1概述
大气气成分观测要素涉及的范畴较广,大气成分的变化会对气候、生态系统和人体健康等造成影响。除温室体、气溶胶、反应性气体、臭氧总量、辐射以及干湿沉降等观测外,部分气象部门还开展了空气负离子、气传花粉浓度等的业务观测。
9.2空气负离子浓度
空气负离子浓度是指单位体积空气中的负离子数目,其单位为个/cm3。
在一般情况下,地表面正离子多于负离子,正、负离子浓度比值常大于一,正、负离子浓度各为400-700个/立方厘米左右。
9.2.1测量方法
采用“电容式吸入法”原理进行负离子检测,测量空气中的负离子浓度值。在离子传感器(或称采集桶、采集筒)的极化板(或称偏压板)上加载定量的极化电压,再让被测空气按设定速度匀速通过传感器。空气中特定的小粒径负离子在电场的作用下发生偏转,被采集板所捕获。采集到的负离子负电荷量经过采集器的处理,即可计算出负离子的电荷浓度值。
系统构成:传感器、采集器和外围设备。
测量频率:10分钟。
9.2.2仪器的安装、使用和维护
仪器应安装在室外,四周开阔、气流平稳和通畅的位置。
仪器应安装在稳固、水平的支柱上,仪器传感器中心距地高度为1.5米。
仪器传感器应与当地盛行风向平行一致。
在正式开始测量前,应使仪器充分预热。
应根据当地负离子的范围选择适合的量程。
在进行观测时应对零点进行校正。
应定期测量电池的电压,必要时更换电池或充电。
定期校准抽气风速和微电流计的灵敏度。
防止灰尘和腐蚀性气体进入收集器。
9.3气传花粉
花粉是植物或被子植物的雄性结构。在流动空气的作用下,可在空气中传播的花粉称为气传花粉,及时了解和掌握空气中花粉含量,对于预防和治疗花粉过敏症,服务于公众需求等具有十分重要的意义。
9.3.1测量方法
花粉观测包括花粉的采集、染色、镜检计数和计算浓度。
花粉的采集:在载玻片(25×75mm)上涂一层薄薄的粘附剂,然后将涂有粘附剂的载玻片放于取样器中,暴露于空气中24小时后取回。
染色:是将取回的样片染色。取适量的染剂,放于暴片涂有粘附剂的部位,用微火使其慢慢溶化,加盖玻片(22×22mm)即可。
镜检计数:从盖玻片的一角开始,自左至右慢慢移动推尺,推到头后,将推尺轻轻上移或下移,将载玻片推上一个新的镜检部分,再从右往左移动推尺。以此类推,顺序把盖玻片覆盖范围全部看完。
计算花粉浓度:由盖玻片(22×22mm)所读的花粉数乘以一个常数即得花粉浓度。
9.3.2仪器的安装、使用和维护
采样器的安装地点要求四面通风,周围100m内无高层建筑阻挡,并切忌选在丛林、行道树下或杂草丛生地附近。
采样器要放置在地面气象观测场内,安放位置可选在不影响地面气象要素观测的地方。
采样器安装在稳固的支撑柱上,采样器平台距地高度为1.5米。
粘附剂和染剂应保持清洁,备用时应放在密闭的容器中,并置于冰箱内保存(0~5℃),防止粘附剂或染剂变质或褪色。
粘附剂配制时,应在清洁的室内进行,不要混入花粉等杂质。
配制染剂时应注意清洁,不要使液体起泡。染剂有褪色时,应重新配制。
载玻片在使用前应清洗干净并消毒,粘附剂应涂得薄而均匀,不宜过厚。
对每天收集回来的花粉载玻片进行染色时,应加入适量染剂,以免影响制片质量。
制作载玻片时,应在载玻片上涂有粘附剂的部位,用微火使其慢慢熔化。避免将载玻片局部加热过甚,以防玻璃炸裂或产生气泡,降低花粉粒的清晰度。
镜检计数时应完整、无遗漏。移动推尺时应慢慢移动。
镜下观测时,要注意一种花粉的各个面观,如极面、赤道面等,以防止把一种花粉由于沉降在玻片上的位置不同,而被误认为不同种类的花粉。
在花粉观测记录时,应同时记录天气状况。
检测后的玻片,应在其左上角贴上小标签,注明日期,放入载玻盒内,以便保管。
显微镜应防潮、防霉、防雾、防尘、防腐蚀、防震、防热。
每月应对观测结果进行审核,审核时应至少抽检3个样本,每个样本复读3次。
第10章样品保存、运输与分析
10.1样品的种类
根据大气成分观测业务实际,现阶段的大气成分观测样品主要包括温室气体、气溶胶、反应性气体、酸雨和降水化学等。
表10-1大气成观测业务样品列表
10.2样品的存贮
气溶胶、降水化学样品应进行密封处理,并保存在4~5℃冷藏环境中。
温室气体样品应存贮在专用储运箱内。
各类样品存贮时应避免阳光直射。
10.3样品的运输
样品运输应使用专用的储运箱,必要时可外加安全防护箱。
样品装箱前应仔细核对样品编号,核查采样记录。采样记录等信息应随样品一起寄送样品分析单位。同时,台站应对有关采样记录等留底。
样品应稳固地安装在储运箱内,四周应有缓冲材料。
样品储运箱在运输中应轻拿轻放,外包装箱表面应明显贴有易碎、防震标志。
降水样品在运输过程中,使用装有冷源(如蓝冰等)的专用储运箱。
样品寄出后,填写相应的《样品寄送信息单》并发送至接收部门。
样品接收部门接收样品后,依据《样品寄送信息单》检查样品种类、数量以及外观完好情况,如发现异常和损坏等,应详实记录并报告,同时通知样品发送单位。
10.4样品的分析与资料汇交
所有样品应分类登记、妥善保存及时安排分析。
第三编观测数据采集、传输与数据质量控制
第11章观测数据采集与传输
11.1数据采集方式
11.1.1自动采集方式
大气成分观测数据自动采集项目如表11-1所示:
表11-1大气成分观测项目信息表
频率
11.1.2手动采集方式
大气成分观测数据手动采集项目如表11-2所示:
表11-2大气成分观测数据手动采集项目
11.2观测数据格式及编码
为便于资料存储、传输和交换,大气本底、基本大气成分、环境气象观测等业务应使用统一的大气成分观测资料分类及编码和观测数据格式,具体规定请参考气象行业标准《大气成分观测数据格式》和《大气成分观测资料分类编码及命名规则》。
11.3数据传输与监视
国家级气象探测业务单位负责对全国站网观测数据的上传及缺失、质量情况等进行监控,并制作站网仪器设备运行状况日报、月报等。
台站自动观测数据文件一般每小时传输一次,应在正点后30分钟内完成传输。台站质量控制信息等文件的传输频率为每日一次。
11.4大气成分观测业务软件
大气成分观测业务软件应具备以下功能和要求:
通过串行RS232接口连接业务电脑和观测仪器;
根据业务观测需要,实现业务电脑对观测仪器的控制和接收观测数据;
为业务工作人员提供统一多种观测项目的软件平台和界面;
显示仪器的实时观测数据:实时显示各个观测仪器的探测数据,在软件中以数据表的形式或时序曲线图的形式显示实时探测数据。
自动下载观测记录数据:根据观测业务需求自动定时下载观测仪器中存储的观测记录数据。
人工观测项目录入数据:对于TSP、干湿沉降、各类样品采集等人工观测项目,以及质量控制信息记录等,提供人工观测数据录入界面。
生成观测记录数据的上传文件:根据观测业务要求、自动生成规范的观测数据的上传文件(包括自动观测项目和人工观测项目以及质控信息记录);
数据文件查询、显示:可按照工作人员需求,查询显示不同项目、不同时段的观测数据。
自动和手动传输数据文件:按照观测业务需求,自动定时地将观测数据文件(包括质控信息文件)通过FTP方式传输到指定远程目录中,可以通过手动方式完成数据上传;
软件运行记录:对软件平台的数据下载、数据记录文件生成、观测仪器运行状态监测、数据记录文件上传等进行软件工作记录,并形成本地保存的软件运行记录文件。
第12章观测质量管理
质量管理的目的是在一个可实的最低成本水平上确保提供应用的资料符合各种要求(包括不确定度、分辨率、连续性、均一性、代表性、时限、格式等),好的资料其质量应是已知的和可证实的。
大气成分观测的质量管理应贯穿于大气成分观测过程的始终,从站网规划和设计,到仪器的选择、安装、操作、使用、维护和标校;从资料的传输、归档等到数据处理、订证等,质量管理系统应在整个观测系统的各方面应连续运作。
观测台站、省(区、市)级和国家级大气成分观测业务部门,应分别承担并协同进行大气成分观测业务质量保证和质量控制工作。
12.1质量保证
质量保证是获取准确、可靠观测数据的重要保证。建立质量保证体系可以使观测工作制度化、规范化,并保证其完整性及可操作性。对于任何规模和性质的业务性大气成分观测系统,应按照观测规范和业务工作任务等的要求,制订质量保证措施并严格执行,质量保证措施应至少包含以下内容:
人员方面
拥有经过大气成分观测业务技术系统培训的观测、技术人员。
(2)制度方面
制订包括岗位职责、值班制度、交接班制度、仪器使用制度、系统巡检及维护检修制度、资料检查审核上报制度、异常报告及处理制度、业务学习制度、探测环境变化状况报告制度以及考核办法等。
制订观测资料采集、传输、存贮、整编、归档以及使用和共享等规定和办法。
(3)规范方面
制订仪器设备安装、使用、操作和维护、标准传递及溯源等技术规范、规程或手册。
制订观测资料编码、数据格式、文件命名等标准和规范。
制订仪器设备年度(或季度)运行检查、维护和标校、常用消耗材料和配备件购置、观测技术培训等计划。
(4)日常工作方面
加强对设备的日常运行维护工作,健全维护、检修和标校体系,及时发现和排除设备故障,对采样数据的可疑性、可疑变化率进行检查和处理,确保自动观测数据的完整、准确、可靠。
(5)其他方面
12.2质量控制
质量控制是质量管理系统中最为关键的部分,是任何观测系统中最不能缺少的重要部分。按照规定的质量控制方法开展观测数据的质量控制。
12.2.1观测现场质量控制信息采集
12.2.2实时数据质量控制
12.2.3传输质量监控
对实时资料的上传、收集、入库等情况进行实时监控,对单站、多站上传的观测数据文件的及时率、到报率、完整率等情况进行检查。
12.2.4各级数据质量控制
12.2.4.1一级或初级质量控制
对观测数据文件名称、格式等进行检查,以确保数据文件命名和格式的正确性。
对观测数据文件中的各组数据内容进行检查,以确保观测数据被正常采集和保存。
对观测数据文件中各组数据的合理性进行检查,对明显异常和不合理的数据进行标注。
根据观测现场质量控制信息和编码,对观测数据的状态进行标注。
12.2.4.2二级质量控制
对实时上传的观测数据文件的及时率、到报率、完整率等情况进行检查。
对观测数据的完整性、观测要素的合理性等进行复查。
根据质量控制信息,对观测数据状态的标注进行复核,对不正确的及时反馈台站进行更正。
12.2.4.2三级质量控制
对观测数据的空间一致性进行检查。
根据标准传递、比对或标校数据和信息等,对观测数据进行再订证和处理。
对数据质量状况进行评估。
第13章观测资料记录和处理
大气成分观测资料记录包括人工和自动观测资料的记录和处理。其中人工观测资料主要由观测人员进行记录,并使用计算机加工处理完成;自动观测资料主要由自动、在线连续观测仪器设备自动记录,并经相应的处理加工后完成。
大气成分观测资料记录和处理根据上级业务部门的规定或本站气象服务的需要,按照统一的格式和要求进行。
13.1人工观测资料记录和处理要求
(1)正确
观测记录应按规定格式填写,并按规范规定的方法进行统计,做好记录、抄录和计算机录入、校对、初算和复算,严格预审,确保质量。
(2)整洁
各项人工观测记录表应用黑色或蓝黑色墨水填写,数字、符号要求工整、清晰,不写怪体字,并保持整洁。
改正错别字时,须将有错的一组数字全部划去,并于所在格子的空白处填写一组正确的数字。不允许涂、擦、刮、贴。
(3)及时
(4)归档及信息化处理
各类人工观测纸质记录应在次月10日前完成整编。并进行抄录、校对、影印(复印、扫描)或按规范要求进行信息化处理、归档。
纸质记录簿、表应在站留存底本,并定期检查,确认无损或臭老丢失。
(5)上报及审核
纸质记录影印件、信息化处理资料等,及时上报。
对上级业务部门审核查询的内容,应及时答复;审核出的错情,留站底本应及时进行更正。
13.2自动观测记录和处理要求
13.2.1观测数据文件的建立
自动观测记录的格式、命名、传输时效要求等,必须符合规范规定和要求。
自动观测数据文件,由大气成分观测业务软件处理生成。
13.2.2观测记录的质量检查
13.2.3观测记录的复制备份
观测数据资料应复制备份,长期异地保存。
13.3观测数据的处理方法
样本数:有效数据的个数。
平均值:有效数据加和除以样本数。
中值:将有效数据进行升序排序,样本数为偶数时,中值为中间两数的平均值,样本数为奇数n时,则中值为第(n+1)/2位数的值。
标准差:有效数据中个体与平均值的离散程度,采用标准差计算公式。
每小时至少有45min的观测数据时,则该小时平均值有效。
每日至少有20个有效小时平均值时,则该日平均值有效。
每月至少有27个有效日平均值时(二月至少有25个有效日平均值),则该月平均值有效。
每年有12个有效月平均值时,则该年平均值有效。
13.3.1气溶胶类
就大多数仪器设备而言,可直接输出观测结果。但仍应按规范要求对观测数据进行质量控制,并根据仪器的标校、比对报告和结果,对观测数据进行订证和处理。
13.3.2温室气体类观测数据的处理方法
温室气体观测仪器多采用外标方法进行,其数据处理要求如下:
按规范要求对观测数据进行质量控制。
根据各级标准气浓度的标定结果,对相对应级别的标准气浓度进行订正和处理。
13.3.3反应性气体类
反应性气体仪器可直接输出观测结果,但仍应进行以下处理:
根据各级标准气浓度的标定结果,对相对应级别的标准气浓度进行订证和处理。
如果观测系统未对零、跨进行自动调整处理,在进行数据订证时应进行零、跨订证和处理。
13.3.4臭氧总量
臭氧总量观测仪器可直接输出观测结果,仍应按规范要求对观测数据进行质量控制,并根据仪器的标校、比对报告和结果,对观测数据进行订证和处理。
第14章大气成分观测记录簿、表
大气成分观测记录簿、表是大气成分观测的重要记录,是具有长期保存价值的资料,必须按簿、表栏目要注逐项认真填写,并复核。
日常观测业务值班记录表
观测目期:月日
注:
项目名称:包括仪器设备或任务名称、后勤保障、污染活动、天气现象、其他等。
交接班任务表
交班员:接班员:交班日期:月日
大气成分观测仪器设备维护报告书
填写人:审核人:(台)站长(签章):
填写说明:
大气成分观测仪器设备进行维护后,应及时完成维护报告书的填写。
大气成分观测仪器设备标校报告书
填写说明
大气成分观测仪器设备进行标校后,应及时完成标校报告书的填写。
、
气成分观测站观测环境报告书
表A.1(续)
北
01020m
在第一年填写观测环境报告书时,必须调查观测站下垫面类型,以后各年如无站点搬迁或站址场地改造,则可简略填写“无变化”。
污染气象条件填写前1年、前3年和前5年的统计结果。季节划分标准是3月、4月、5月为春季,6月、7月、8月为夏季,9月、10月、11月为秋季,12月、1月、2月为冬季。
观测场周边50m范围,系指观测场围栏向外延伸50m的范围。高大物体指高于10m的树木、房屋、烟囱和塔杆等。如果与前一年情况相同,可简略填写“同上年”。
土地规划和区域开发状况按方位和距离填写,每栏最多填写三个主要特征(按照面积大小的顺序),如:城区、工业区、农业区、牧区、森林、湖泊、沼泽、海洋、裸露地表(包括山地)、沙漠等。如某一栏中相应的土地利用状况特征及其顺序与前一年相同,可简略填写“同上年”。某些大规模工程的工地可以在备注栏中注明。
污染源调查栏内填写50km以内化肥厂、农药厂、石油化工厂、火力发电厂、水泥厂、炼焦厂等大型污染源和500m内的锅炉烟囱等污染源。栏目不足时,可增加附页。如果某一项污染源与前一年相同,可在名称以外各栏目中简略填写“同上年”。
样品寄送信息单
总悬浮颗粒物(TSP)采样记录表
台站名称________________区站号:_______________仪器序列号___________采样日期:采样膜号:
数设置
号
体积
温度
m/s
℃
mb
%
操作员:操作员:
气溶胶质量浓度(TEOM)检查表
台站名称________________区站号_______________仪器序列号____________________年________月
吸收特性(AE-31)项目检查表
散射特性(M9003/Aurora1000)检查记录表
光学厚度观测(CE-38)日检查记录表
光学厚度观测(CE-318)周检查表
温室气体5890双通道色谱在线观测系统日常检查表
台站名称________________区站号________________________年________月
期
5Psi
指示灯
信号
14-15psi
0.12L/min
(23:51—23:59)
30-50psi
>30psi
温室气体6890/7890双通道色谱日常检查表
温室气体Picarro1301/1302观测系统日常检查表
温室气体进气系统日常检查表
500mL/min
>0.1L/min
>0.2L/min
反应性气体观测日常检查表
台站名称________________区站号________________________年________月________日
器
检
查
结果
检查
观测员_________________
地面臭氧(O3)分析仪周检查表
台站名称______________区站号____________________年________月______日
观测员____________________
一氧化碳(CO)分析仪周检查表
台站名称______________区站号__________________年________月________日
观测员_____________________________
二氧化硫(SO2)分析仪周检查表
台站名称______________区站号________________年________月________日
观测员__________________________
氮氧化物(NO、NO2、NOx)分析仪周检查表
台站名称______________区站号___________________年________月________日
Interfaceboard
观测员_______________________
动态气体校准(146C)周检查表
台站名称______________区站号____________________年________月________日
配气A
配气B
配气C
臭氧发生器
诊断性参数
电源电压
观测员:_____________________________
大流量采样器流量校准记录表
台站名称__________区站号:____________仪器序列号:操作员:___________
(℃)
(kPa)
(年/月/日)
(时:分)
吸收特性(AE-31)仪器零检及流量校准记录表
台站名称________________区站号:_______________仪器序列号:________年_____月
散射特性(M9003/Aurora1000)校准记录表
(Mm-1)
%
注1:Zerock:零点检查值;Zerostab:零点稳定度,Spanck:跨点稳定度;Spanstab:跨点检查值;WallSignal:器壁信号。
注2:零/跨检查和全校准均使用同一个表格,但是在备注栏目中须注明“零/跨检查”和“全校准
花粉观测记录表
台站名称________________区站号:_______________________年_____月______日
观测员:________________________、________________________。