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)，早期科學家已經(jīng)預見到工業(yè)活動可能導致CO2在大氣中積累。20世紀中葉，科學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，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氣流的影響，但由于阿爾卑斯山的阻擋，風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，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。1994年開始了現(xiàn)場的CO2濃度測量。監(jiān)測系統(tǒng)的設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性。此外，系統(tǒng)設計允許在必要時進行最小修改以適應新的分析技術(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的顯著變化，導致大氣中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。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基礎(chǔ)。
