大气边界层中的二氧化碳垂直分布：垂直特征与气象变量的影响外文翻译资料

英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

大气边界层中的二氧化碳垂直分布：垂直特征与气象变量的影响

摘要： CO2垂直分布的知识对CO2的运输模式和星载测量校准/验证的发展具有重要意义。在这项研究中，我们使用气球在厦门(正经历快速城市化)的一个郊区测量0-1000米CO2浓度的垂直分布，并对稳定和对流边界层条件下的二氧化碳垂直分布的特征进行了研究。地面水平二氧化碳浓度和那些在高海拔的浓度之间的相关性随高度增加而减小，在前300m内显著相关，在100m、200m、300m处显著相关分别为R=0.78，R=0.52，R=0.40（P lt;0.01）。这种相关性在300-800m内几乎保持一致，在800米没有明显的相关性，这表明地面水平的CO 2的影响仅限于地面300米范围内。比较在24小时期间在不同的时间所获得的垂直剖面时，我们发现CO 2浓度在地面比高空有更明显的日变化，这是由于地面有各种类型的二氧化碳的源和汇。大部分型材证明CO2浓度的下降趋势随着海拔的升高。大部分实例证明随着海拔的升高CO2浓度呈下降趋势。对CO2的垂直廓线进行了拟合，以获得低层大气中（0-1000米）估算CO2浓度垂直的经验方程：Y=75.04 1.1710X109e-x/28.01，R2=0.59（P lt;0.05）。但是，对于某些情况下，会观察到相反的模式，该CO 2浓度分布在一定的高度表现出一个转折点或在一定的气象条件下随着高度增加很少变化。大气边界层的深度和大气稳定度是控制二氧化碳曲线的垂直结构中的两个主要因素。这项结果将提高我们对目前二氧化碳在城市环境中的空间和时间的变化的理解，这将有利于刺激3-D传输模型的使用来研究CO2对城市环境的影响。

1.引言

在低层大气中CO2浓度的强烈影响光合作用，呼吸作用，有机物氧化，生物质燃烧，燃烧化石燃料和海-气交换。不像其他空气污染物如臭氧，二氧化氮，颗粒物，和挥发性有机化合物会参与到大气中的物理化学过程中。二氧化碳的生产和减少地面上主要发生（例如，含碳物质和二氧化碳生产生物圈呼吸燃烧;对于CO 2还原光合摄取），在大气中很少发生。 其中，二氧化碳的变化很可能是气象因素扩散和运输的结果。在自由对流层，CO 2被用作示踪气体来研究空气污染物的垂直输送。

大多数二氧化碳的观察都在地面进行的，但有限的CO 2测量在自由对流层和平流球进行的[7]。关于边界层在城市大气中二氧化碳的垂直分布的数据很少。二氧化碳垂直分布的信息是非常重要的，因为（1）它可以用于开发3维CO2运输模型来精确地估计地面CO2通量和推断地面源和汇分布; （2）它可以被用来校准/验证与基于遥感仪器卫星地面传播的测量[9]。此外，该垂直剖面也使用一个简单的边界层预算（BLB）方法，提供必要的计算区域范围内的CO 2通量。测量通过飞机，平流层气球，激光雷达，气球和高塔进行。使用安装在飞机和/或平流层气球采样平台，在长达13公里（飞机）和35公里（平流层气球）收集样本。但这些测量的垂直分辨率是小于用激光雷达或气球进行的。初步定量测量和对流层的CO2轮廓的分析是由一个原型拉曼激光雷达，其可以在一个高度监测二氧化碳达到2.5km进行[12]。最高可达到的采样高度低于塔或气球（高达约1000米）。与其它方法相比，气球可以用于收集长期CO2浓度，具有较高的时间和空间分辨率和较低的成本。这些数据可研究垂直分布的特点，可以更好地理解在对流层低层大多数大气中的二氧化碳位于CO2的变化趋势的原因。

2.材料与方法

2.1观测地点

厦门是中国东南部亚热带和沿海城市。集美区与厦门的郊区城市化快速发展;强化系留气球活动是郊区现场进行（11803053.3100E2436042.0500N）。采样网站位于杏林湾旁边的主要道路，在大于 500米处设在一个空旷地带。观测点最近的人口中心是兴鑫村（4.3公里），田头村（0.73公里），灌口镇（6.38公里），杏林镇（5.53公里），和市中心的集美区（5公里），如图所示的

2.2基于气球探空的二氧化碳测量

在对流层低层（0-1000米）的的CO₂和气象参数（压力，温度，相对湿度），和垂直廓线在2012年夏季（6月2日至六月一十八日并从7月17日至7月22日）进行了测量。每个气球发射后天性两种模式：在上行过程中获得的一个
并在下降过程中的另一个获得。根据天气条件，每个气球发射的总时间为1-2小时。共获得29个升空气球，一共58个数据文件包括37个日间数据文件（8：00-20：00）和21个夜间数据文件（20：00-8：00）。

附连到系留气球的仪器包括一个CO2传感器（GMP343 360克，VAISALA，芬兰），数据记录器（MI70 400克，VAISALA，芬兰），和便携式气象站（隼4500 110克，美国）。基于先进的单光束双波长NDIR技术（3 ppm的钍读数的1％）的精密的CO2传感器监测二氧化碳浓度。4月11日对GMP343二氧化碳传感器进行校准该传感器利用标准氮和二氧化碳气体（荷兰计量研究所）进行校准。压力和温度通过使用探针的补偿算法补偿。便携式气象站TEM-023获取相对湿度，高度和压力的数据。所有仪器发射气球之前进行同步。传感器和气象站采集的数据以5秒的时间分辨率。根据记录时间的二氧化碳浓度和相应的高度相匹配。
气球是5.25立方米，体积和充满氦气（4米长1米的宽度，通过ATMO-球形物理研究所，中国科学院，中国制造）。其起重能力为1.5公斤，最大上升高度为1500微米。这些仪器被固定在气球下方1米附着在绳索的平台上。一种电动绞盘控制的升降速率，其平均值分别为1.30米/秒和0.72米/秒，分别。球囊1分钟上升后稳定耗时3分钟。每个实验中的最大高度依赖于实际的大气条件。例如，最大上升高度是强风比平静的条件下。最大上升高度分别介于480〜1400 m代表58配置文件。整个研究使用北京标准时间（BST）。

2.3数据分析

为到最精确的测量，测量应在温度，压力，相对湿度和氧气的环境中进行补偿，在GMP343中这些补偿是一个内置的选项。 GMP343的温度补偿是基于内置的温度传感器，而其它环境参数的值应该由用户确定，如果他们由缺省值（环境参数在地面水平变化来改变：压力1013帕斯卡，温度为25 摄氏度，相对湿度50％，氧气20.95％）。一个NDIR CO2传感器的信号成比例的二氧化碳分子在传感器内部的采样体积的绝对数量，因此，根据理想气体定律，输出为压力和温度的依赖性 （维萨拉CARVOCAP二氧化碳探头GMP343用户指南第4，P47）的修正是基于理想气体定律如等式（1）描述：

C是测量浓度，p和t是在同一高度的气压和温度。

稳定时间是每一个上升和下降后的3分钟。在这3分钟内计算二氧化碳浓度的平均值和标准偏差来表示在该水平的二氧化碳浓度。相同的设定也应用于于相对湿度和温度。安装系统到气囊之后的第一个5分钟内获得的数据被丢弃，以避免表面上的CO2操作者的呼吸的影响效果测量。

在虚位温基础计算温度压力和相对湿度，用下列的公式来描述剖面的边界层大气的稳定性：

2.4试验期间的天气条件

为了研究垂直结构的形成机理，在放飞气球的同时开始分析放飞气球期间的气象数据，利用地级自动气象站数据与邻近的草覆盖率低的地方进行对比，

它提供的数据包括每两分钟的温度，相对湿度，大气压，2米的高度。风速/风向，能见度分别以10米和3米的高度分别监测。每个气球施放过程中的气象条件，气象数据如下图所示

获得近地层在气球施放期间的时空演化过程，研究其对二氧化碳垂直分布结构的影响机载激光高度和垂直混合系数（K）是从NOAA空气资源实验室获得
在2013年6月1日（http://ready.arl.noaa.gov/ READY WEB SERVER
READYamet.php）。

1. 结果与讨论

3.1不同海拔高度的地面二氧化碳浓度的关系

地面是二氧化碳主要的源和汇，高海拔地区的二氧化碳浓度主要受地面源以及大气扩散和运输的影响。为了研究不同海拔高度地面的二氧化碳浓度水平变化，进行了相关性分析，统计分析工具利用spss18.00来进行，如预期，相关系数为100米，高度减小，有R=0.78，R=0.52以200m，R=0.40在300米（P lt;0.01）。的相关系数在400米的高度达到基本恒定，有R=0.32在400 M，R=0.33 500 M，R=0.35在600 M，R=0.34 700m（P lt;0.05）。可以看出，高度越低，地级CO2运输的影响是比较明显的，因此，CO2浓度在地面上更好的相关性。根据二氧化碳白天和夜间的平均浓度也示于图2.无论是白天和夜间剖面显示，平均CO2浓度随着高度逐渐下降。此外，垂直方向上CO2浓度在地面水平的CO2输送在300米明显，随海拔到800米这种影响减小最小，其中该CO 2浓度与地面水平CO2的相关性不再显著。

3.二氧化碳垂直分布的日变化

图3所示为二氧化碳垂直分布日变化周期图，在近地面下午二氧化碳浓度较低，夜晚浓度较高。当傍晚能量平衡发生转换后，大气趋于稳定，阻碍了空气的垂直交换，导致二氧化碳在低空聚集，在高空含量减少。因此二氧化碳浓聚物会随高度升高而减少，并在夜间呈现出剧烈变化。然而在05:00-12:00这段时间内，白天对流增加加强了二氧化碳在高海拔地区的湍流扩散。在13:00-17:00之间，二氧化碳在地面达到最低水平，但在300m-400m以及700m-900m达到最高水平，可能是因为光合作用吸收二氧化碳，二氧化碳从地面垂直运输到高空。

地面二氧化碳浓聚物和不同高度间的联系(Fig. 2)表明，昼夜变化对二氧化碳的影响只体现在300m以下的高度。这一层的二氧化碳昼夜变化取决于来源，地表变化和气象参数如大气稳定性，风等等。与之相反，海拔400米以上的二氧化碳浓度日变化不明显，这意味着地面对之影响很小。这与前人研究一致(Meng et al., 2008; Mao et al.,2008; Chan et al., 2005)。通过观察二氧化碳在低对流层发生的小的化学变化(Machida et al., 2003)，400m以上的二氧化碳浓度主要受到气象条件的影响。因此选择350m以下天气类似的连续三天的垂直剖面图(i.e., July 20e22, 2012)研究二氧化碳的垂直变化，探索垂直平面图表现出差别的原因(Fig. 4)。在午夜(22:42-23:42 and 00:30-01:10)和清晨(07:04-07:45)观察到二氧化碳浓度会随着高度迅速降低。在白天(07:48-8:39, 09:11-10:10, 10:11-10:58 and 14:50-15:45)观察到的四个平面的剖面图变化不明显，350m二氧化碳浓度的平均数从早上八时到下午四时会减小，而四时以后会增加。整个350m剖面图二氧化碳平均浓度为402.1plusmn;12.8 ppm在 07:04-07:45, 399.2plusmn;6.4 ppm 在07:48-08:39,398.6plusmn;2.6 ppm 在 9:11-10:10, 396.5plusmn;1.3 ppm 在 10:11-10:58, 389.1plusmn;2.6 ppm 在 14:50-15:45, 399.1plusmn;13.0 ppm在20:01-20:55, 407.8plusmn;19.9 ppm 在 22:42-23:42 和401.8plusmn;16.7 ppm 在 00:30-01:10，在大城市的变化趋势与地面变化一致(Rice and Bostrom, 2011)。在午夜二氧化碳浓度高是由于陆地生物圈的呼吸作用和稳定大气的累积。与之相反的陆地生物圈在白天会从大气中吸收二氧化碳，而且大气条件适宜扩散。所以白天二氧化碳浓度会比夜间观测到的高。

3.3二氧化碳的垂直分布特征和影响它的气象参数

一共获得二氧化碳浓度的58条垂直廓线,2012年夏天可分为三种类型，其可以通过高度与的线性回归的斜率（S）进行说明A）CO2浓度变化不大，随着高度。这种类型下每个垂直扩线的CO2浓度是几乎是恒定的；B）CO2浓度显示了在特定的高度有一个转折点，此后开始上面下降，因为转折点，该垂直剖面可分为两个部分， C）CO2浓度显示了高度清晰的单调下降。一个下获得二氧化碳垂直分布的经验公式这种情况下，y=-75.04 1.17times;10⁹e^x/28.01其中x是二氧化碳浓度(ppm)，一些典型剖面被选择来显示二氧化碳的三种类型的垂直分布特征。

3.3.1大气边界层高度变化概述

在实验过程中的期间，厦门边界层在8:00增长，达到最大值约14:00约500-1000米的高度，然后下降到约80-400米左右20:00，然后以一个较慢的速度增长，并随后保持在一个较低的高度（208-284米），直到8:00 BST（图5）。二氧化碳垂直结构的这样的特性研究了与ABL的时间变化的情况下。 ABL进化可以分为两个阶段：一个是08:00之间和20:00 BST，其间边界层增大和收缩迅速而均匀混合的ABL内发生;另一种是从21:00到上午（07:00），在此期间，边界层改变小而

3.2.2。二氧化碳垂直结构与CO2变化不大浓度随高度增加（A型）

这种类型的二氧化碳垂直扩线，通常发生在白天，二氧化碳的浓度从地面开始几乎可以保持一公里，二氧化碳浓度变化范围从386.4ppm到403.0ppm，平均值大约为391.4ppm，这种类型在晴朗的日子发生比较频繁，风速大约为1.67-0.48m/s，平均大气边界层高于600m，虚位温给出指示，不稳定大气层相对于同海拔稳定呈下降趋势，这意味着垂直对流比较大，边界层气体充分混合。

3.2.3二氧化碳在一定高度的转折点之后下降的类型（B型）

我们选择了三组数据来描述二氧化碳的垂直变化特征，每个都包括了上升和下降的过程，二氧化碳的浓度与虚位温的关系在图7

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[31945]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word