摘要:
气候变化是全球未来发展所面临的巨大挑战,2020年9月,习近平主席宣布了力度空前且具有雄心的气候目标:中国将努力争取2060年前实现碳中和。为了更好的贯彻该发展理念,实施积极应对气候变化的国家战略,我们需要大力倡导绿色低碳循环的生产生活方式。屋顶绿化的开展在减缓城市温室气体排放方面也发挥着重要的作用。在这里我们特别关注的一个研究领域是量化固碳措施或技术(比如屋顶绿化)对环境的影响。
哥伦比亚大学、USPS和TectaAmerica合作开展了一个项目,在该项目中,对纽约市的七个绿化屋顶进行了评估,评价它们在减少热岛效应、发挥潜在的碳汇作用方面的有效性。来自哥伦比亚大学Lamont-Doherty、地球天文台的Wade McGillis在曼哈顿的主邮局大楼最大的绿化屋顶上部署了Picarro高频温室气体分析仪(G2311-f)。屋顶生态系统以景天属植物为主。Picarro分析仪的部署是为了帮助定量从屋顶到大气的净通量,同样值得关注的是,屋顶花园是甲烷的源还是汇。结果显示,Picarro具有良好的频率响应和低漂移特性,能够测量低浓度的碳通量。在高达64 Wm-2的高潜热通量期间,还测量了低至+2 μmolm-2s-1的CO2通量。日间、每小时甲烷通量在+ 0.004和 (-) 0.01 μmol/m-2s-1之间,误差一般小于0.001 μmol/m-2s-1。正如对相对干旱、高温条件的预期,甲烷通量没有出现明显的趋势,表明屋顶不是一个重要的甲烷源或汇。
仪器部署:
一个1.5米高的通量塔位于10.9万平方英尺的楼顶上,这样塔的足迹只包含楼顶区域,如图1所示。
图1:通量塔在楼顶的位置
Picarro G2311-f分析仪位于塔架底部附近的一个温控箱中,靠近塔基的温控箱与2米长的取样管相连,取气口在塔上的Gill WindmasterPro三维超声风速仪的0.15米范围内。塔上还安装了Vaisala相对湿度(RH)和温度计,以及一个开路CO2和H2O分析仪(LiCOR 7500)。将来自RH仪表和LiCOR的模拟信号输入到Gill风速仪,后者通过RS232向Picarro传输所有数据。Picarro内置计算机作为数据记录器,利用其独特的软件自动解析、时间同步和将分析仪的集中数据与输入数据流集成。利用Picarro分析仪对Li7500进行H2O校正。通过NOAA气体标准和Li-COR发生器对Li7500进行了校准,Picarro气体分析仪出厂前经过工厂校准,后期无需频繁校准,Picarro工厂校准包括6点校准,二级标准参考NOAA校准的黄金标准仪器。
图2:仪器配置和数据图示
结果:
Li7500和Picarro测试的时间序列见图3、图4和图5。除了几点偏移和一些偏差之外,这两个分析仪在总体趋势方面密切相关。
图3:Li7500和Picarro的H2O浓度时间变化序列(5天)
在221日受降雨影响,开路Li7500镜子上有液态水存在,H2O和CO2浓度均出现异常波动(图3、4)。降雨之后,水汽浓度在Li7500和其他两种仪器之间出现偏移。除降雨事件外,这两种仪器测试的CO2浓度都非常接近,直到第223日,两种仪器之间的偏移开始出现。H2O和CO2测量偏移量的原因可能是仪器漂移。
图4:Li7500和Picarro的CO2浓度时间变化序列(5天):由于减少稀释和稳定的边界层条件,可以观察到夜间CO2的浓度较高。
图5:Picarro的CH4浓度时间变化序列(5天):与CO2时间序列一致,观察到夜间甲烷生成。甲烷通量如图9所示,接近零,表明屋顶不是甲烷源或汇。
计算了45分钟的平均通量,并在图6、8和9中显示了5天的同时刻平均通量,以说明楼顶上通量的日周期变化。白天的水汽通量很高,但CO2呼吸量很低,这是这种植被和相对较小的生物量所决定的。密歇根州立大学对景天属植物进行的实验室研究表明,净碳吸收量几乎为零1。
图6:潜热和显热通量(5天综合)在观测期间,两种仪器之间通常有良好的一致性,除了由于镜面上积聚的液态水而导致的Li7500数据中的偏移。在此期间,每日气温在92至115华氏度之间,白天的通量值很大。
图7:屋顶温度时间序列
在水汽通量较低的时期,这两种仪器之间有很好的一致性。然而,在高水汽通量期间,Li7500中的CO2信号会增强,从而导致对碳吸收的过度估计。
图8:CO2通量日变化(综合5天)。Li7500数据做了WPL校正
图9:甲烷的浓度和通量日变化趋势。白天稀释/夜间贮存效果明显。正如预期的,屋顶似乎不是甲烷的源或汇。Picarro仪器在低通量环境下表现出稳定的性能。
评论:
Picarro G2311-f高频温室气体分析仪具有独特的能力,能够以10 Hz频率对CO2、CH4和H2O三种气体的浓度进行同步精确测量,因此非常适合城市生态系统的测量。分析仪能够自动校正水蒸气(稀释度和光谱)的影响,并报告准确的干混合比,仪器中的精确温度和压力控制使仪器能够确定低水平的通量,而无需应用WPL或数据后处理期间的其他更正。在仪器漂移较低的情况下,分析仪对CO2、CH4和水蒸气读数的精度可分别优于200 ppb、3 ppb和6 ppm+0.3%读数,从而可准确地测定较低水平的通量值,而且不需要频繁的校准和压缩气体参考测量。保证的最低数据速率为10 Hz,最低气体响应为5 Hz,确保了所有频率的优良性能。与开路系统测量相比,此部署显示出相同或更好的频率响应。此外,Picarro的内置计算机和软件使风速和其他外围数据能够通过RS232直接集成和时间同步于分析仪数据,并保存在单个用户文件中。在此部署中,此功能无需单独的数据记录器和PC,并且大大简化了数据分析,这有助于消除由于相对时钟漂移或数据处理错误而产生的潜在错误。
1Carbon Sequestration Potential of Extensive Green Roofs, Environ. Sci. Technol. 2009, 43, 7564–7570
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