應(yīng)用案例
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原文題目:Efficacy of the CO Tracer Technique in Partitioning Biogenic and
Anthropogenic Atmospheric CO2 Signals in the Humid Subtropical
Eastern Highland Rim City of Cookeville, Tennessee. Atmosphere 2023, 14, 208. https://doi.org/10.3390/atmos14020208
01
背景簡介
自上而下和自下而上的二氧化碳(CO2)監(jiān)測方法都可以提供關(guān)于不同人為排放詳細的清單數(shù)據(jù)。但是,準確確定城市生物和人為CO2源和匯之間的分配仍然非常困難。主要原因是厘清人為和生物CO2的源和匯,以及涉及測量城市人為和生物CO2混合比以及城市植被對碳流影響的研究較少。由于許多城市生態(tài)系統(tǒng)被植被包圍,與非城市生態(tài)系統(tǒng)相比,城市生態(tài)系統(tǒng)中獨特的生長條件有助于提高生物圈碳循環(huán)率,從而導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)和城市生長季節(jié)延長。因為精確測量的CO2混合比是推導(dǎo)區(qū)域尺度凈CO2通量的關(guān)鍵組成部分,為了描述生物對整體城市CO2混合比的貢獻,本研究使用一氧化碳(CO)作為示蹤,通過使用高精度的Picarro CRDS技術(shù)測量對CO2和CO混合比進行了深入探索。
02
研究方法
上圖顯示位于美國東部高地邊緣地區(qū)庫克維爾市的位置
研究使用Picarro G2401氣體濃度分析儀對CO2、CO、CH4和H2O進行測量。儀器5秒、5分鐘和60分鐘的CO測量精度分別為15、1.5和1ppb,CO2為50、20和10ppb,CH4為1、0.5和0.3ppb。CO、CO2與CH4在標準溫壓(STP)下24小時內(nèi)的最大漂移分別為10ppb、100 ppb與1ppb。該儀器配備了水汽校正軟件,可自動報告干氣摩爾分數(shù)。根據(jù)世界氣象組織(WMO)推薦的各氣體兼容性目標(CO2和CH4分別為±100 ppb和±2 ppb),研究使用了三個已知CO2和CH4濃度的參考標氣進行校準。校準氣體的濃度跨越了預(yù)期的大氣濃度范圍,以5s的頻率記錄測量結(jié)果。
研究者對原始CRDS數(shù)據(jù)進行了手動檢查,以排除受本地點源影響的CO、CH4和CO2觀測結(jié)果,這些點源包括異常高的交通影響、CRDS儀器操作員在采樣口的呼吸以及農(nóng)業(yè)或相關(guān)排放。在基于持續(xù)幾秒到幾分鐘的峰值的地面城市混合比測量中,很容易觀察到明顯、重要的局部點源。通過在觀測到的CO、CH4和CO2混合比中應(yīng)用兩個標準差(2σ)濾波,實現(xiàn)了進一步的數(shù)據(jù)標記和過濾。
可追溯至NIST的標準氣體來自美國液化空氣公司Air Gas,用于Picarro G2401的校準和漂移和精度檢查。研究人員定期進行短期漂移測試(24小時和48小時漂移分析),測量期間,未發(fā)現(xiàn)校準曲線有任何顯著的漂移或變化,這使測量系統(tǒng)能夠在沒有任何重新校準的情況下運行數(shù)月。為了消除點源異常高的混合比信號,將采氣入口放置在離地面15米的田納西理工大學(xué)足球場西側(cè),流速為350–400 sccm。
03
研究結(jié)果
正如早期關(guān)于CO:CO2混合濃度比研究的報道所示,與冬季CO:CO2的高相關(guān)性比(correlation ratio)不同,春季和夏季的相關(guān)比較低。除了之前報道的冬季、春季和夏季的比率外,本研究還計算了秋季的比率(見表)。為了全面了解人為排放程度,本研究計算得到的CO:CH4相關(guān)性比較低,這主要是由于較低的地面人為CO2排放和強烈的夏季生物大幅度的排放變化。秋季是一個過渡季節(jié),伴隨著樹葉變化,除了光合作用減少外,秋季的生物排放也低于夏季,導(dǎo)致人為CO2排放表現(xiàn)的更為突出。在冬季,生物成因的影響顯著減少,導(dǎo)致背景CO2和CO相關(guān)性比更強,因為城市CO2信號主要來自人類產(chǎn)生的燃燒過程。春季的特點是植物的初始生長比冬季光合作用更強。因此,春季反映了比冬季略低的相關(guān)性比。
04
總結(jié)
本研究為田納西州庫克維爾的城市人為和生物CO2信號提供了有價值的信息,使用CO示蹤技術(shù),研究者獲得了2017年、2018年和2019年冬季生物成因CO2成分,其振幅值分別為4.09、3.62和2.44 ppm。與春季生物成因CO2基本為負相比,觀測到的冬季季節(jié)性生物成因混合比為正(接近1)。利用CO作為示蹤,將測得的CO2信號劃分為人為和生物干摩爾分數(shù)。2017年至2019年間,冬季生物成因CO2的平均季節(jié)干混合比在−0.65±3.44 ppm和0.96±2.66之間變化記錄到的最大季節(jié)性生物混合比在5.01至7.84 ppm之間變化。另一方面,這三年中,平均人為CO2混合比在5.74±4.94 ppm和8.12±4.33之間變化,最大季節(jié)值分別為16.68、9.81和13.65 ppm。這項研究的結(jié)果可以作為評估衛(wèi)星測量和區(qū)域氣候空氣質(zhì)量模型的基礎(chǔ)資料。這項研究未來可以進一步深化比較觀測到的人為和生物CO2混合比與數(shù)值建模系統(tǒng)預(yù)測的混合比的研究。另外,由于生物燃料繼續(xù)在運輸業(yè)中發(fā)揮重要作用,在未來的研究中可以使用其他示蹤技術(shù),如13C(CO2的穩(wěn)定同位素),可以提高將城市CO2歸因于化石燃料和生物貢獻的準確性。
05
設(shè)備分享
Picarro G2401可以同時監(jiān)測CO2、CH4、CO和H2O四種氣體。G2401 遵從世界氣象組織 ( WMO ) 及其它國際性網(wǎng)絡(luò)(如歐洲綜合碳觀測系統(tǒng),ICOS)設(shè)立的關(guān)于大氣監(jiān)測站的性能規(guī)格。高精度四組分連續(xù)測量、高精度、野外可部署性以及長期穩(wěn)定性,讓 G2401 成為溫室氣體測量儀器的明智之選。
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