欧洲综合碳观测系统（ICOS）在西南欧的高塔温室气体观测

江苏海兰达尔环境科技有限公司

2024/01/13 21:34

欧洲综合碳观测系统（ICOS）在西南欧的高塔温室气体观测

江苏海兰达尔 2024-01-12 13:35 发表于江苏

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2024.107221

背景介绍

对温室气体的首次测量是从偏远的背景地区开始的，以避免强烈的人为来源干扰。自Mauna Loa站点之后，其他的背景站点在接下来的几十年间持续建立。这之后，研究人员又开始利用高塔测量大气温室气体，它包含了比靠近地面监测更大的空间尺度的信息，从而为区域传输的影响提供了有价值的信息。此外，将高塔测量与传输模型相结合，可以作为估计本地到区域规模的温室气体通量的一种手段，增加高塔站点的数据将有利于提高区域对温室气体分布的认知。

目前，欧洲高塔温室气体的观测已被整合到欧洲综合碳观测系统（ICOS）中。ICOS是欧洲战略研究基础设施，能提供量化欧洲和邻近地区温室气体平衡所需的高精度观测数据。在伊比利亚半岛，温室气体的观测数据很少，集中在中部和北部。位于欧洲西南部的El Arenosillo工厂管理着一座100m高的高塔，目前正用于测量温室气体。在这项研究中，分析了从2021年12月至2022年12月在El Arenosillo高塔测量的CO₂、CH₄和CO数据。

测量方法

该测量系统的设计和建造符合ICOS大气站2级规范，分别在塔高10m，50m和95m（塔总高实际为96m，以下简化为100m）处进行空气采样收集。2021年11月，在三个采样高度分别安装了采样管线进行空气样品采集，每一层使用单独的真空泵进行抽气。使用流量计监测冲洗管路中的气流，压力传感器用于监测采样管路的压力，管线直径和冲洗流量使得样气在采样管中的停留时间在1min以下。对于进入到分析仪的气体分配，使用一个16位旋转阀来控制。空气样品使用Nafion系统和装有硫酸钙干燥剂的干燥管进行除水，采样空气与干燥剂不直接接触。CO₂、CH₄和CO使用Picarro G2401进行测量，仪器每3~4周校准，使用符合ICOS规范的混合标准气体。分别使用高、中、低三种浓度，每种浓度的通气时间为30min。

测量结果（部分）

季节性大气传输以及CO₂、CH₄和CO概述

根据小时平均值计算，CO₂在100m和10m处的最高浓度分别为452ppm和480ppm，平均值分别为418±5ppm和422±8ppm。CH₄的最高浓度分别为10m处的2351ppb和100m处的2224ppb，平均值分别为1999±30ppb和1986±25ppb。CO的小时峰值为1466ppb，出现在2022年9月6日6:00 UTC，在100m高处测得，与森林火灾羽流的到达有关，而第二高值则只有446ppb，同样也在100m处测得。

对于CO₂，来自内陆N-NE-E方向观测到最高的摩尔分数（＞440ppm），并且春季和冬季值最大。这一结果表明，主要来自植被的陆地排放源可能是对该地区影响最大的排放源。在W-NW方向风的作用下，夏秋两季海洋气流的CO₂值最低。对于CH₄，最高的摩尔分数在较冷的季节被观测到，冬季风来自内陆（NE-E方向），秋季来自海洋（SW-NW方向）。大陆来源和从大西洋传输的CH₄可能是观测到的CH₄的来源，而夏季有海风时CH₄浓度最低。对于CO，最高摩尔分数（＞125ppb）主要在冬季和春季测得，但风从内陆、北部和大西洋吹来，这表明潜在排放的羽流可以从测量的任何风向到达。

El Arenosillo站点100m到达高度的120h季节性后向轨迹

CO₂、CH₄和CO的垂直梯度：日变化

对垂直梯度的测量可以识别来自不同足迹的源和汇的影响。CO₂的日梯度模式受到光合作用、呼吸作用和垂直混合的联合效应的调节。CO₂梯度在夜间的值较高，在白天时间的值较低或接近于零。夜间的梯度高峰出现在冬季的午夜左右以及5:00~6:00 UTC。春季和秋季的CO₂梯度最高，为（19-21）×10^-2ppm m^-1，在其余的季节，夜间梯度为（5-12）×10^-2ppm m^-1，这与以往的研究相似。这些最高的夜间梯度与稳定边界层的形成、低风速以及土壤和植物呼吸的贡献有关，但不排除其他潜在因素，如土壤酶和微生物的排放。

从位温梯度的变化可以看出，从清晨开始的混合过程，导致了CO₂值的突然下降。夜间在浅边界层中累积的CO₂被输送到更高的水平，直到在白天形成一个混合良好的对流边界层。

每日CH₄梯度呈现出一个冬秋和春夏季节的分布模式。在寒冷月份，梯度峰值在冬季的27.5×10^-2ppb m^-1到秋季的11.9×10^-2ppb m^-1之间。破裂的反转夜间层和每日混合导致CH₄梯度下降值在三个高度比较相似，差值在-3.29×10^-2ppb m^-1到-6.1×10^-2ppb m^-1之间。

有几个潜在的因素可以解释冬季和秋季CH₄的高梯度。例如，在每年的这个时候，较高的湿度水平和水资源利用率的增加可能会导致该地区的土壤更湿润和湿地被淹没。在这些条件下，厌氧环境可能有助于CH₄的产生。此外，CH₄从内陆的传输，这个季节的典型气流以及较高的大气稳定度也能起到一定作用。相反，春季和夏季的CH₄梯度循环没有出现夜间峰值，且梯度相对均匀。在其他因素中，这可以归因于OH自由基利用率的增加，加上更强烈和延长的混合过程，导致垂直梯度的减少。此外，与CO₂相比，较弱的局地排放也可能是一个促成因素。