歐洲中部WMO/GAW、ICOS站點長期溫室氣體連續(xù)觀測
原文鏈接：https://doi.org/10.5194/amt-17-4629-2024
引言
大氣CO2濃度的增加與全球氣候變化緊密相關(guān)，早期科學(xué)家已經(jīng)預(yù)見到工業(yè)活動可能導(dǎo)致CO2在大氣中積累。20世紀中葉，科學(xué)家們通過分析零星的測量數(shù)據(jù)，確認了大氣中CO2濃度的增加，并開始考慮其對全球氣候的潛在影響。隨著對CO2作為溫室氣體影響認識的加深，全球范圍內(nèi)建立了多個監(jiān)測站點，以系統(tǒng)地測量和記錄大氣中的CO2濃度變化。監(jiān)測站點不僅包括偏遠地區(qū)以記錄全球背景大氣中的CO2含量，也包括中大陸、植被覆蓋區(qū)域的站點，以研究生物圈過程對CO2濃度的影響。
這項研究旨在回顧和評估匈牙利Hegyhátsál高塔監(jiān)測站點30年來的大氣CO2數(shù)據(jù)，該站點是全球監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。通過分析這些長期數(shù)據(jù)，文章意在揭示大氣CO2濃度的長期趨勢、季節(jié)性變化和日變化模式。研究還旨在探討這些變化背后的可能原因，包括氣候變化、生物圈活動以及可能的人為排放因素。
測量和數(shù)據(jù)
監(jiān)測站點
Hegyhátsál高塔溫室氣體監(jiān)測站點位于匈牙利，是世界氣象組織（WMO）全球大氣監(jiān)測（GAW）、美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）以及歐洲綜合碳觀測系統(tǒng)（ICOS）網(wǎng)絡(luò)的一部分。該站點始建于1993年，作為NOAA全球合作空氣采樣網(wǎng)絡(luò)的一部分，1994年開始進行現(xiàn)場CO2濃度測量。站點位于潘諾尼亞盆地西部邊緣，海拔248 m，周圍環(huán)境以農(nóng)田、草地和森林為主，具有較高的空間代表性。
站點的監(jiān)測塔高117 m，配備了空氣采樣口和氣象傳感器，安裝在電視和無線電發(fā)射塔上。站點的運營最初由匈牙利氣象局（HMS）負責(zé)，2020年起由匈牙利核物理研究所（ATOMKI）接管。
Hegyhátsál站點的氣候?qū)儆跍嘏臏貛夂?，全年濕潤，夏季溫暖。該地區(qū)的年均溫度在過去幾十年中呈現(xiàn)上升趨勢。站點的地理位置使其受到西風(fēng)氣流的影響，但由于阿爾卑斯山的阻擋，風(fēng)向主要是東北和西南。通過使用Lagrangian前向傳輸模型評估了當?shù)嘏欧旁磳舛葴y量的影響，結(jié)果表明在關(guān)鍵時期，附近村莊的排放對監(jiān)測站點的影響較小。
此外，站點還參與了NOAA的全球合作空氣采樣網(wǎng)絡(luò)，每周在塔上96 m高度采集環(huán)境空氣樣本，這些樣本隨后被送往NOAA的實驗室進行分析，為監(jiān)測站點提供了額外的質(zhì)量保證。
匈牙利Hegyhátsál高塔溫室氣體監(jiān)測站點的地理位置
監(jiān)測系統(tǒng)
Hegyhátsál監(jiān)測站點的監(jiān)測系統(tǒng)最初在1993年作為一個空氣瓶采樣站點建立，用于NOAA全球合作空氣采樣網(wǎng)絡(luò)。1994年開始了現(xiàn)場的CO2濃度測量。監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計受到了美國首個高塔監(jiān)測站點的影響，因此在Hegyhátsál的測量系統(tǒng)設(shè)計與美國的類似。
監(jiān)測系統(tǒng)通過直徑為3/8英寸的管道將空氣泵送到地面上的CO2分析儀。使用了隔膜泵來連續(xù)抽取空氣樣本，并通過一系列干燥和過濾設(shè)備來凈化空氣，以消除水汽和顆粒物的干擾。
監(jiān)測系統(tǒng)包括多個監(jiān)測層，通過計算機控制的旋轉(zhuǎn)選擇閥來選擇采樣的空氣入口或標準氣體。系統(tǒng)設(shè)計允許連續(xù)測量，同時保持系統(tǒng)不斷沖洗以減少潛在的污染。
2020年以前，CO2的分析使用的是非分散紅外（NDIR）氣體分析儀，之后改為Picarro G2301光腔衰蕩光譜（CRDS）分析儀。CRDS分析儀具有更高的精度和穩(wěn)定性，且對環(huán)境壓力和溫度變化不敏感，因此可以減少校準的頻率。監(jiān)測系統(tǒng)還包括質(zhì)量流量控制器和Na?on干燥器，以確保測量的準確性和重復(fù)性。此外，系統(tǒng)設(shè)計允許在必要時進行最小修改以適應(yīng)新的分析技術(shù)。
Hegyhátsál站點的監(jiān)測系統(tǒng)示意圖
測量周期和校準
在Hegyhátsál監(jiān)測站點，使用單一氣體分析儀對不同高度的空氣采樣口進行順序掃描。這種測量方式導(dǎo)致在每個采樣點的連續(xù)測量時間有限，只能獲取濃度信號的離散短期樣本，這限制了對原始濃度變化的精確重建，增加了計算小時平均濃度的不確定性。
為了降低非連續(xù)采樣帶來的不確定性，監(jiān)測站點采取了較短的采樣周期。最初，采樣周期設(shè)定為每個采樣高度2 min，包括1 min的沖洗和1 min的信號積分。隨著技術(shù)升級，當使用Picarro CRDS分析儀替代了NDIR分析儀后，采樣周期調(diào)整為90 s的沖洗和30 s的積分時間。
監(jiān)測系統(tǒng)定期使用WMO中央校準實驗室準備和認證的CO2標準氣體進行校準。NDIR分析儀由于對環(huán)境壓力和溫度敏感，需要頻繁的校準以補償量程漂移。CRDS分析儀由于內(nèi)部進行了溫度和壓力的穩(wěn)定，對環(huán)境變化不敏感，因此可以進行較少頻率的校準。
結(jié)果與討論
二氧化碳濃度的日變化
在一個被植被包圍的中歐大陸站點，大氣二氧化碳濃度最重要的特征之一是其顯著的日變化，這是由植物和調(diào)節(jié)大氣垂直混合的晝夜周期的周期性光合作用和呼吸作用產(chǎn)生的。夏季，由于植被活動和夜間較高的呼吸率，CO2濃度的日變化幅度最大。具體來說，10 m高度處的日變化幅度最大，可達60.5 μmol/mol，而115 m高度處則相對較小，為17.2 μmol/mol。相比之下，冬季的日變化幅度顯著減小，10 m和115 m高度處分別為6.5和1.5 μmol/mol。
盡管在過去30年中日變化幅度整體上沒有顯著變化，但在夏季，尤其是7月份，日變化幅度有輕微的上升趨勢。這種上升趨勢的增長率為0.57±0.30 μmol/mol/yr，可能與夜間溫度的升高和呼吸作用的增強有關(guān)。
不同季節(jié)和測量高度的CO2摩爾分數(shù)月平均日變化相對于115?m高度的日均值
二氧化碳濃度的季節(jié)變化
通過對比全天和午后（12:00-16:00 LST）測量數(shù)據(jù)的季節(jié)變化，揭示了植被生長周期對CO2濃度季節(jié)變化的顯著影響。在115 m高度處，基于午后測量的季節(jié)幅度為25.8 μmol/mol，而在更接近地面的10 m高度處，季節(jié)幅度更大，為29.3 μmol/mol。這種高季節(jié)幅度反映了植被活動的周期性，以及植被對大氣CO2濃度變化的重要調(diào)節(jié)作用。
此外，研究還比較了Hegyhátsál站點的季節(jié)變化與42-52°N緯度帶的海洋邊界層參考濃度的季節(jié)變化。結(jié)果顯示，兩者的季節(jié)變化模式存在顯著差異。在海洋邊界層，CO2濃度的年最大值出現(xiàn)在4月，而Hegyhátsál站點的CO2濃度在年底達到年最大值。這種差異主要是由于晚冬到早春期間大氣動力學(xué)的顯著變化，導(dǎo)致大氣中CO2濃度的降低。
洋邊界層參考濃度的比較
二氧化碳濃度的長期變化
研究還深入探討了CO2濃度的長期趨勢，通過115?m高度處CO2濃度的時間變化，包括月均值、擬合的平滑曲線和趨勢來看，整體增長率為2.20 μmol/mol/yr，與全球增長率2.09 μmol/mol/yr相近。這表明Hegyhátsál站點的CO2濃度變化與全球趨勢一致，盡管存在幾個μmol/mol的正偏移，這可能反映了歐洲地區(qū)人為排放的影響。
Hegyhátsál站點115?m高度處CO2濃度的時間變化趨勢與海洋邊界層參考濃度對比
研究進一步分析了ENSO現(xiàn)象對大氣CO2濃度增長率的影響。結(jié)果表明，ENSO與CO2增長率之間存在相關(guān)性。在Hegyhátsál站點，ENSO指數(shù)滯后6-7個月時，CO2增長率與ENSO指數(shù)的相關(guān)性最大。這表明ENSO現(xiàn)象對大氣CO2濃度的年增長率有顯著的調(diào)節(jié)作用，盡管這種影響在歐洲站點可能不如在太平洋盆地的站點那么顯著。
Hegyhátsál站點與全球大氣中CO2濃度增長率的時間變化及其與ENSO指數(shù)的相關(guān)性
結(jié)論
這項研究深入分析了Hegyhátsál站點30年來的大氣CO2濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)，揭示了氣候變化對大氣CO2濃度模式的影響。研究觀察到，夏季日變化幅度的增加主要是由于夜間溫度升高導(dǎo)致的呼吸作用增強。此外，春季CO2虧缺季節(jié)的開始時間提前，但在2010年后這種趨勢停滯，暗示了植被生長對持續(xù)氣候變暖的響應(yīng)可能已達極限。
研究還指出，ENSO現(xiàn)象對CO2濃度增長率有明顯影響，即便在遠離太平洋的歐洲站點也能檢測到這一效應(yīng)。最后需要強調(diào)的是，長期監(jiān)測站點對于評估全球碳循環(huán)和氣候變化模型至關(guān)重要，同時也凸顯了為這些站點提供持續(xù)資金和專業(yè)維護的必要性。Hegyhátsál站點的數(shù)據(jù)不僅增進了我們對大氣CO2濃度自然變異性的理解，而且對制定有效的氣候政策和碳管理策略提供了堅實的科學(xué)基礎(chǔ)。
