欧洲中部WMO/GAW、ICOS站点长期温室气体连续观测
原文链接:https://doi.org/10.5194/amt-17-4629-2024
引言
大气CO2浓度的增加与全球气候变化紧密相关,早期科学家已经预见到工业活动可能导致CO2在大气中积累。20世纪中叶,科学家们通过分析零星的测量数据,确认了大气中CO2浓度的增加,并开始考虑其对全球气候的潜在影响。随着对CO2作为温室气体影响认识的加深,全球范围内建立了多个监测站点,以系统地测量和记录大气中的CO2浓度变化。监测站点不仅包括偏远地区以记录全球背景大气中的CO2含量,也包括中大陆、植被覆盖区域的站点,以研究生物圈过程对CO2浓度的影响。
这项研究旨在回顾和评估匈牙利Hegyhátsál高塔监测站点30年来的大气CO2数据,该站点是全球监测网络的重要组成部分。通过分析这些长期数据,文章意在揭示大气CO2浓度的长期趋势、季节性变化和日变化模式。研究还旨在探讨这些变化背后的可能原因,包括气候变化、生物圈活动以及可能的人为排放因素。
测量和数据
监测站点
Hegyhátsál高塔温室气体监测站点位于匈牙利,是世界气象组织(WMO)全球大气监测(GAW)、美国国家海洋和大气管理局(NOAA)以及欧洲综合碳观测系统(ICOS)网络的一部分。该站点始建于1993年,作为NOAA全球合作空气采样网络的一部分,1994年开始进行现场CO2浓度测量。站点位于潘诺尼亚盆地西部边缘,海拔248 m,周围环境以农田、草地和森林为主,具有较高的空间代表性。
站点的监测塔高117 m,配备了空气采样口和气象传感器,安装在电视和无线电发射塔上。站点的运营最初由匈牙利气象局(HMS)负责,2020年起由匈牙利核物理研究所(ATOMKI)接管。
Hegyhátsál站点的气候属于温暖的温带气候,全年湿润,夏季温暖。该地区的年均温度在过去几十年中呈现上升趋势。站点的地理位置使其受到西风气流的影响,但由于阿尔卑斯山的阻挡,风向主要是东北和西南。通过使用Lagrangian前向传输模型评估了当地排放源对浓度测量的影响,结果表明在关键时期,附近村庄的排放对监测站点的影响较小。
此外,站点还参与了NOAA的全球合作空气采样网络,每周在塔上96 m高度采集环境空气样本,这些样本随后被送往NOAA的实验室进行分析,为监测站点提供了额外的质量保证。
匈牙利Hegyhátsál高塔温室气体监测站点的地理位置
监测系统
Hegyhátsál监测站点的监测系统最初在1993年作为一个空气瓶采样站点建立,用于NOAA全球合作空气采样网络。1994年开始了现场的CO2浓度测量。监测系统的设计受到了美国首个高塔监测站点的影响,因此在Hegyhátsál的测量系统设计与美国的类似。
监测系统通过直径为3/8英寸的管道将空气泵送到地面上的CO2分析仪。使用了隔膜泵来连续抽取空气样本,并通过一系列干燥和过滤设备来净化空气,以消除水汽和颗粒物的干扰。
监测系统包括多个监测层,通过计算机控制的旋转选择阀来选择采样的空气入口或标准气体。系统设计允许连续测量,同时保持系统不断冲洗以减少潜在的污染。
2020年以前,CO2的分析使用的是非分散红外(NDIR)气体分析仪,之后改为Picarro G2301光腔衰荡光谱(CRDS)分析仪。CRDS分析仪具有更高的精度和稳定性,且对环境压力和温度变化不敏感,因此可以减少校准的频率。监测系统还包括质量流量控制器和Nafion干燥器,以确保测量的准确性和重复性。此外,系统设计允许在必要时进行最小修改以适应新的分析技术。
Hegyhátsál站点的监测系统示意图
测量周期和校准
在Hegyhátsál监测站点,使用单一气体分析仪对不同高度的空气采样口进行顺序扫描。这种测量方式导致在每个采样点的连续测量时间有限,只能获取浓度信号的离散短期样本,这限制了对原始浓度变化的精确重建,增加了计算小时平均浓度的不确定性。
为了降低非连续采样带来的不确定性,监测站点采取了较短的采样周期。最初,采样周期设定为每个采样高度2 min,包括1 min的冲洗和1 min的信号积分。随着技术升级,当使用Picarro CRDS分析仪替代了NDIR分析仪后,采样周期调整为90 s的冲洗和30 s的积分时间。
监测系统定期使用WMO中央校准实验室准备和认证的CO2标准气体进行校准。NDIR分析仪由于对环境压力和温度敏感,需要频繁的校准以补偿量程漂移。CRDS分析仪由于内部进行了温度和压力的稳定,对环境变化不敏感,因此可以进行较少频率的校准。
结果与讨论
二氧化碳浓度的日变化
在一个被植被包围的中欧大陆站点,大气二氧化碳浓度最重要的特征之一是其显著的日变化,这是由植物和调节大气垂直混合的昼夜周期的周期性光合作用和呼吸作用产生的。夏季,由于植被活动和夜间较高的呼吸率,CO2浓度的日变化幅度最大。具体来说,10 m高度处的日变化幅度最大,可达60.5 µmol/mol,而115 m高度处则相对较小,为17.2 µmol/mol。相比之下,冬季的日变化幅度显著减小,10 m和115 m高度处分别为6.5和1.5 µmol/mol。
尽管在过去30年中日变化幅度整体上没有显著变化,但在夏季,尤其是7月份,日变化幅度有轻微的上升趋势。这种上升趋势的增长率为0.57±0.30 µmol/mol/yr,可能与夜间温度的升高和呼吸作用的增强有关。
不同季节和测量高度的CO2摩尔分数月平均日变化相对于115 m高度的日均值
二氧化碳浓度的季节变化
通过对比全天和午后(12:00-16:00 LST)测量数据的季节变化,揭示了植被生长周期对CO2浓度季节变化的显著影响。在115 m高度处,基于午后测量的季节幅度为25.8 µmol/mol,而在更接近地面的10 m高度处,季节幅度更大,为29.3 µmol/mol。这种高季节幅度反映了植被活动的周期性,以及植被对大气CO2浓度变化的重要调节作用。
此外,研究还比较了Hegyhátsál站点的季节变化与42-52°N纬度带的海洋边界层参考浓度的季节变化。结果显示,两者的季节变化模式存在显著差异。在海洋边界层,CO2浓度的年最大值出现在4月,而Hegyhátsál站点的CO2浓度在年底达到年最大值。这种差异主要是由于晚冬到早春期间大气动力学的显著变化,导致大气中CO2浓度的降低。
洋边界层参考浓度的比较
二氧化碳浓度的长期变化
研究还深入探讨了CO2浓度的长期趋势,通过115 m高度处CO2浓度的时间变化,包括月均值、拟合的平滑曲线和趋势来看,整体增长率为2.20 µmol/mol/yr,与全球增长率2.09 µmol/mol/yr相近。这表明Hegyhátsál站点的CO2浓度变化与全球趋势一致,尽管存在几个µmol/mol的正偏移,这可能反映了欧洲地区人为排放的影响。
Hegyhátsál站点115 m高度处CO2浓度的时间变化趋势与海洋边界层参考浓度对比
研究进一步分析了ENSO现象对大气CO2浓度增长率的影响。结果表明,ENSO与CO2增长率之间存在相关性。在Hegyhátsál站点,ENSO指数滞后6-7个月时,CO2增长率与ENSO指数的相关性最大。这表明ENSO现象对大气CO2浓度的年增长率有显著的调节作用,尽管这种影响在欧洲站点可能不如在太平洋盆地的站点那么显著。
Hegyhátsál站点与全球大气中CO2浓度增长率的时间变化及其与ENSO指数的相关性
结论
这项研究深入分析了Hegyhátsál站点30年来的大气CO2浓度监测数据,揭示了气候变化对大气CO2浓度模式的影响。研究观察到,夏季日变化幅度的增加主要是由于夜间温度升高导致的呼吸作用增强。此外,春季CO2亏缺季节的开始时间提前,但在2010年后这种趋势停滞,暗示了植被生长对持续气候变暖的响应可能已达极限。
研究还指出,ENSO现象对CO2浓度增长率有明显影响,即便在远离太平洋的欧洲站点也能检测到这一效应。最后需要强调的是,长期监测站点对于评估全球碳循环和气候变化模型至关重要,同时也凸显了为这些站点提供持续资金和专业维护的必要性。Hegyhátsál站点的数据不仅增进了我们对大气CO2浓度自然变异性的理解,而且对制定有效的气候政策和碳管理策略提供了坚实的科学基础。