长江三角洲地区城市、郊区和...村下垫面的CO_2通量观测_邹钧.pdf
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1、第 43 卷第 3 期2023 年 3 月Vol.43,No.3Mar.,2023环境科学学报Acta Scientiae Circumstantiae长江三角洲地区城市、郊区和乡村下垫面的 CO2通量观测邹 钧1,2,3,4,孙 鉴 泞1,2,3,*,郭 维 栋1,2,3,董 新 奕1,2,3,陈 辉 林1,2,3,王 海 鲲1,2,3,汪名怀1,2,3,丁爱军1,2,31.南京大学大气科学学院,南京 2100232.教育部大气与地球系统国际联合实验室,南京 2100233.江苏省气候变化协同创新中心,南京 2100234.关键地球物质循环前沿科学中心,南京 210023摘要:利用长江三角洲
2、地区南京和苏州两个典型城市的中心城区观测点、南京郊区观测点以及南京市溧水区乡村草地和农田观测点为期一年的CO2通量观测数据,分析不同下垫面之上CO2通量观测值的差异以及城市和郊区不同观测高度的CO2通量观测值的差异.结果表明,城市在CO2地气交换过程中的作用是碳源,而植被下垫面为碳汇;城市粗糙子层中CO2通量观测值随高度增大,上层观测值具有较好的局地代表性;郊区站两个观测高度处于惯性子层之中,CO2通量观测值比较接近,而它们之间的差异则反映了各自高度所对应的不同源区域范围内排放和吸收的不同.依据观测数据估算了不同下垫面的单位面积CO2全年净排放/吸收量,南京和苏州市区全年净排放量分别是18.2
3、 kgm-2和15.5 kgm-2;农田和草地的全年净吸收量分别是2.9 kgm-2和0.6 kgm-2;郊区观测点25 m高度所对应的源区域内CO2全年净吸收量为0.5 kgm-2,而50 m高度所对应的源区域内CO2全年净排放量为0.13 kgm-2.关键词:长三角;城市;郊区;农田;草地;涡动相关;CO2通量文章编号:0253-2468(2023)03-0281-12 中图分类号:X171,X831 文献标识码:AMeasurements of CO2 flux over urban,suburban and rural surfaces in Yangtze River Delta r
4、egion of ChinaZOU Jun1,2,3,4,SUN Jianning1,2,3,*,GUO Weidong1,2,3,DONG Xinyi1,2,3,CHEN Huilin1,2,3,WANG Haikun1,2,3,WANG Minghuai1,2,3,DING Aijun1,2,31.School of Atmospheric Sciences,Nanjing University,Nanjing 2100232.Joint International Research Laboratory of Atmospheric and Earth System Sciences,N
5、anjing 2100233.Jiangsu Provincial Collaborative Innovation Center of Climate Change,Nanjing 2100234.Frontiers Science Center for Critical Earth Material Cycling,Nanjing University,Nanjing 210023Abstract:This study applied observations collected from five sites to understand CO2 fluxes with different
6、 underlying surfaces at different heights.CO2 fluxes were measured with the eddy-covariance method at two urban sites in Nanjing and Suzhou,one suburban site in Nanjing,and two sites over grassland and cropland of Nanjing,in the Yangtze River Delta of China over 20122014.Our results show that barren
7、 urban land surface serves as a carbon source while vegetated land surface serves as a carbon sink in the land-atmosphere exchange of CO2.We find that the CO2 fluxes increase with measurement height in the roughness sublayer,suggesting that measurements at the upper height are more representative th
8、an the lower height in land-atmosphere exchange at the local scale.The two suburban sites were both in the inertial sublayer,and their differences in CO2 fluxes implied the variations in emissions and sinks of the surroundings.The annual emission and absorption rates of CO2 are estimated for differe
9、nt types of underlying surfaces based on these measurements.The emission rates at the two urban sites of Nanjing and Suzhou are 18.2 kgm-2a-1 and 15.5 kgm-2a-1,respectively.The absorption rates over the cropland and grassland in rural Nanjing are 2.9 kgm-2a-1 and 0.6 kgm-2a-1,respectively.At the sub
10、urban DOI:10.13671/j.hjkxxb.2022.0270邹钧,孙鉴泞,郭维栋,等.2023.长江三角洲地区城市、郊区和乡村下垫面的CO2通量观测 J.环境科学学报,43(3):281-292ZOU Jun,SUN Jianning,GUO Weidong,et al.2023.Measurements of CO2 flux over urban,suburban and rural surfaces in Yangtze River Delta region of China J.Acta Scientiae Circumstantiae,43(3):281-292收稿日期
11、:2022-06-22 修回日期:2022-08-01 录用日期:2022-08-02基金项目:国家自然科学基金重大研究计划项目(No.92044301);国家自然科学基金面上项目(No.42074131);国家自然科学基金青年项目(No.41805007);南京大学关键地球物质循环前沿科学中心“科技人才团队”项目;中央高校基本科研业务费专项资金(No.14380191)作者简介:邹钧(1989),男,博士,E-mail:;*责任作者,E-mail:环境科学学报43 卷site of Nanjing,the measurements at 25 m height suggest an abso
12、rption rate of 0.5 kgm-2a-1,while the measurements at 50m height suggest an emission rate of 0.13 kgm-2a-1.Keywords:Yangtze River Delta region;urban;suburban;cropland;grassland;eddy-covariance;CO2 flux1引言(Introduction)二氧化碳(CO2)是地球大气中最重要的温室气体之一.人类活动引起的化石燃料消耗和土地利用变化是大气中CO2和其他温室气体含量增加的主要原因(IPCC,2013).全
13、球大气CO2平均浓度已经从工业革命 之前的大约280 ppm(Etheridge et al.,1996)上升到当今超过400 ppm的水平(NOAA,2018).IPCC第五次评估报告指出,大气中CO2含量的持续增加将使得地球大气的平均温度到2100年时增加0.34.8,而且这个增温效应在高原地区和高纬度地区会更加显著(IPCC,2013;Pepin et al.,2015).大气中CO2含量增加是导致全球变暖和气候变化的直接诱因(IPCC,2013).实现“双碳”目标的根本途径是减少碳排放,即减少化石燃料的消耗;同时也需要通过保护森林、植树 造林、增加城市绿化面积等措施扩大植被覆盖率,增强
14、对CO2的吸收能力.通量观测可以为人们定量认识地球表面不同类型下垫面(城市、森林、草地、农田、湖泊乃至海洋)与大气之间CO2交换情况提供依据,而在全球通量网FULXNET中涡动相关方法是地气交换通量观测的标准方法(Baldocchi et al.,2001),到2004年全球已经有260多个注册的通量观测站应用涡动相关方法开展下垫面与大气之间CO2和水汽通量的长期观测(段月等,2018).城市是人类活动高度集中的地方,我国大多数城市当中绿地和植被覆盖率通常较小,所以城市主要 表现为CO2的排放源地.城市中生活着超过全球55%的人口(UN,2014),而城市排放的CO2占到全球排放总量的大约70
15、%(Canadell et al.,2009).欧美发达国家已经在很多个城市开展过CO2排放通量观测(如本文表3 列举的城市);而在发展中国家的城市开展的CO2通量观测很少,如在墨西哥城(Velasco et al.,2005;2009)和开罗(Burri et al.,2009)进行的观测;国内城市的CO2通量观测主要集中在北京市(何文等,2010;Liu et al.,2012;Song et al.,2012;2013;窦军霞等,2014;刘晓曼等,2015;段月等,2018),其他城市的CO2通量观测则是难得一见,如在上海市开展的观测(Ao et al.,2016).我国仍处于城市化进
16、程当中,在不同地区的典型城市 开展CO2通量观测显得尤为必要,因为通量观测结果可以让人们掌握典型城市的CO2实际排放情况.事实上,城市绿地和植被(包括道路两边的行道树和建筑周围的庭院树)构成了城市生态系统.城市绿地和植被的空间分布不均匀,在中心城区建筑物十分密集,绿地和植被的覆盖率很低,涡动相关方法观测到的CO2通量在白天和夜间都是正值,且白天的通量值大于夜间,基本反映了局地排放的结果(Grimmond et al.,2004;Velasco et al.,2005;Helfter et al.,2011;Liu et al.,2012;窦军霞等,2014;Hirano et al.,2015
17、;Ao et al.,2016;Stagakis et al.,2019).在城市的郊区,绿地和植被的占地比例通常明显高于中心城区,白天观测到的CO2通量会明显小于中心城区(Bergeron et al.,2011;Ward et al.,2015).由此可见,在不同城市及城市的不同区域开展CO2通量观测,其观测结果有助于人们精准掌握CO2排放在城市中的分布情况,同时也能让 人们充分了解城市生态系统对CO2的吸收作用,从而准确估算出城市区域的CO2排放量.长江三角洲是我国经济发达地区,也是我国城市化程度最高的区域之一.本文利用南京和苏州的城市观测点、南京郊区观测点,以及南京市溧水区的乡村农田和
18、草地观测点的长时间序列CO2通量观测数据,分析不同下垫面CO2通量的日变化和季节变化特征,并估算单位面积的CO2年排放量(或吸收量).以期为 认识长三角地区CO2排放特征,并为该地区碳源/碳汇的估算提供观测依据.2观测与数据处理(Observation sites and data processing)2.1站点环境与观测设置本文所用资料为南京和苏州两个市区中心观测点、南京郊区南京大学仙林校区 SORPES(Station for Observing Regional Processes of the Earth System)观测站、南京市溧水区乡村草地和农田观测点的CO2通量 观测数据.
19、其中,南京市区观测点位于南京市委党校原址(3202 N,11847 E,简称NJ站);苏州市区观测点2823 期邹钧等:长江三角洲地区城市、郊区和乡村下垫面的CO2通量观测位于苏州市环境监测站(3118 N,12035 E,简称SZ站);SORPES站位于南京市东北郊南京大学仙林校区内(3207 N,11857 E,简称XL站),2011年建成并开始进行观测(Ding et al.,2013a;2013b);乡村观测点位于南京市溧水区红星村(3143 N,11859 E),设有草地(简称LS_GR站)和农田(简称LS_CR站)两个对比站点,两者之间相距1.62 km(Guo et al.,20
20、16).4个观测点的地理位置如图1所示.NJ站和SZ站位于城市的中心城区,周边环境建筑物密集,是典型的城市下垫面,观测装置和站点环境分别如图2a和2b所示.NJ站的观测塔建在一栋22 m高的建筑物楼顶,观测塔为宽度35 cm的三角塔,塔高为32 m,塔上11.5 m和26.5 m高度处(距离楼顶的高度)分别架设一套涡动相关系统,即一体式三维超声风温仪(CSAT3,Campbell Scientific,USA)和水汽/CO2气体分析仪(LI-7500,Licor Inc.,USA),采样频率为10 Hz.SZ站的观测塔建在一栋14 m高的建筑物楼顶,塔高为20 m(宽度与NJ站相同),塔上6
21、m和18 m高度处(距离楼顶的高度)分别架设一套涡动相关系统(仪器型号与NJ站相同),采样频率为10 Hz.XL站位于南京大学仙林校区中心位置,站点所处环境是由植被和建筑区块交织的复杂下垫面.XL站的观测塔建在高约30 m 小山包顶的平地上(以校园内道路和平地的平均高度为参考高度),塔高75 m,观测装置和站点环境如图2c所示.塔上25 m和50 m高度处各有一套涡动相关系统(型号与NJ站相同),采样频率也都是10 Hz.LS_GR站和LS_CR站的观测装置和站点环境如图2d和2e所示,两个站点在离地面3 m高度各架设一套涡动相关系统(型号与NJ站相同),采样频率为10 Hz.NJ站和SZ站周
22、围是典型的城市下垫面环境.城市近地层被划分为粗糙子层(从地面算起,包含城市冠层,厚度范围大约为建筑物平均高度的25倍)和之上的惯性子层,在惯性子层当中湍流通量随高度变化很小,而在粗糙子层当中湍流通量随高度变化明显(Roth,2000).NJ站和SZ站附近以观测塔为中心800 m范围内的图14个观测站点在长江三角洲地区所处位置示意图(红色、粉红色、蓝色和黄色星标记分别代表南京市区站、苏州市区站、南京郊区站和溧水乡村站的位置,引自Google Earth)Fig.1The locations of measurement sites in Yangtze River Delta region of
23、 China图24个观测站点观测设置及所处环境的实拍照片(a.NJ站,b.SZ站,c.XL站,d.LS_GR站,e.LS_CR站)Fig.2The oblique views of measurement sites283环境科学学报43 卷平均建筑物高度分别为21.6 m和18.5 m;NJ站这个区域内的建筑物面积指数(即区域内建筑物占地面积与区域面积的比值)p是0.28,SZ站这个区域内的建筑物面积指数p是0.26.关于这两个站点站附近下垫面 特征的更多细节,可参见Zou等(2015)和沙杰等(2021)的研究.Zou等(2015)的分析表明NJ站和SZ站的上层观测高度接近粗糙子层顶;而沙
24、杰等(2021)的分析表明这两个站点上层观测高度上的湍流通量观测结果才具有局地代表性.因此,在本文对这两个站CO2通量特征进行分析时也采用两个高度的观测数据,并对两个高度上的观测结果进行对比.关于南京大学仙林校区内建筑的分布和高度信息,以及山体地形分布情况,可参见沙杰等(2021)的研究.沙杰等(2021)的研究结果表明,对于仙林校区及其周边复杂下垫面而言,XL站观测塔上25 m和50 m高度处的通量观测结果具有局地代表性.溧水乡村站两个配对站点的下垫面分别是草地(LS_GR站)和农田(LS_CR站),站点周围地形平坦,并且远离公路和村庄,下垫面类型单一(图2d和2e).LS_GR站下垫面生长
25、茅草,夏季茅草高度可达5060 cm;LS_CR站下垫面生长庄稼,冬春季为小麦,夏秋季为水稻,庄稼成熟时高度均可达到7080 cm.关于溧水乡村站的更详细地理信息,可参见Guo等(2016)的文章.2.2数据处理与资料选取湍流通量的计算基于30 min时段的10 Hz高频观测数据,通过计算瞬时观测值与30 min平均值的差值获取湍流脉动值,然后按照涡动相关原理用湍流脉动值计算出该时段的平均湍流通量,因此,每30min获得一个湍流通量的观测值.在计算湍流通量之前需要对观测数据进行质量控制和预处理,包括剔除野点(Vickers et al.,1997)、二次坐标旋转(Kaimal et al.,1
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