应用案例

Picarro G2301（卡拉海叶尼塞河段陆-海界面大气CO₂和CH₄波动）

发表时间：2024-04-17

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摘要

2018年9月至2021年1月在最近部署的塔式测量站“DAMIS”（73.5068 N，80.5198 E）对大气CO₂和CH₄的干摩尔分数进行了精确连续观测，该测量站位于西伯利亚塔米尔半岛西南海岸，叶尼塞河海湾，通向卡拉海（北冰洋）。通过分析陆地植被和海洋部门对捕获的大气信号的贡献，检查了站点的季节足迹，并说明了陆-海界面上白天混合大气层CO₂和CH₄的时间模式。除了反映由泛北极引起的信号的时间变化，我们还分析了天气异常的时空分布，这些天气异常代表了所研究的高北极西伯利亚区域（约62.5万km²）的CO₂和CH₄区域源和汇的大气特征。全年捕获陆地表面（54%）和海洋（46%）几乎相等。对于CO₂和CH₄，我们观察到了海-陆下降趋势，或许因为海洋气团中微量气体的消耗比大陆区域更大。到目前为止，在卡拉海，我们尚未检测到任何可能表明海底永久冻土退化过程和冷渗漏发生的显著CH₄信号——仍然主要在北极海东部（拉普捷夫海和东西伯利亚海）观察到。

仪器设置和校准

测量站由一个带有气象传感器的金属塔和一个安装在30m a.g.l.（35m a.s.l.）桅杆顶部的进气口组成。一条挠性管道从塔中进入位于下方的实验室，腔衰荡光谱（CRDS）分析仪和数据记录器放置在内部并安装在19′测量轨道上。大气CO₂、CH₄和H₂O的摩尔分数由CRDS分析仪Picarro G2301-f（Picarro Inc.，Santa Clara，CA，USA）进行连续测量，该分析仪通过了Max Planck生物地球化学研究所生产的加压干燥空气的定期校准。在参考罐中，温室气体浓度追踪到WMO的刻度：CO₂的X2007和CH₄的X2004A。由于仪器的响应是线性的，因此三个储罐足以进行校准，高、中、低三个储罐每168小时自动开始校准循环，时间分别为25、20和20分钟。基于这三个参考罐，导出并实施了所报告时间序列的线性校准系数。目标储罐每24小时探测15分钟。在报告的观察期内，目标储罐中测得的CO₂（0.03 ppm）和CH₄（0.03ppb）的偏差符合WMO要求的范围。

原始数据处理

CRDS分析仪测量湿空气中的CO₂和CH₄摩尔分数，并且仅包括水校正的一阶函数，这是不够的，为了计算H₂O与仪器测量的原始值中特定气体湿干比之间的关系，我们基于其他地方给出的方法，应用了二阶H₂O校正函数。在对原始值进行水校正和校准后，我们使用一组过滤器删除了无效数据。

尽管靠近沉降区，但塔架处的空气探测不太容易受到局部污染，风分布分析确保桅杆的局部位置超出或几乎无法接受此类污染事件。然而，塔架附近可能存在污染源：柴油发电机和居民点的中央锅炉（距塔架西北偏北约270米）。这些当地污染源可能造成CO₂，CH₄摩尔分数在几秒到几分钟的时间尺度上出现急剧和短期峰值。这些信号的平均频率低至每年观测值的3.7%，从冬季的2%到夏季的5.4%不等。我们应用了基于尖峰检测标准，并根据当地环境进行调整。原始数据经过了严格的背景过滤和计时，最终使我们能够确定研究区域内有代表性的、不受当地污染源影响的混合良好空气的大部分小时值。

CO₂的季节性模式在夏季月份（8月：400.7 ppm）表现出急剧下降和最终最小值，并在冬季达到最大值（2月：424.9 ppm），而第二个峰值可能出现在冬季后期，伴随着海冰融化和海洋中无冰区域的出现，促进冰下储存的二氧化碳立即释放到大气中。进而分析说明，在北冰洋陆-海界面上的CO₂和CH₄的收支，全年陆地（54%）和海洋（46%）的贡献几乎相等。在冬季对大陆的影响占主导地位（73%），而在夏季，海洋的贡献率高达60%。

结论

在高北极西伯利亚区域（约62.5万平方公里）白天混合大气层CO₂和CH₄的时间模式的研究表明，全年陆地表面（54%）和海洋（46%）的贡献几乎相等。足迹的季节性模式显示，在冬季对大陆的影响占主导地位（73%），而在夏季，海洋的贡献率高达60%。在“DAMIS”观测到的CO2季节振幅夏季最小值（吸收）和冬季最大值（释放）之间的差异）达到约22ppm，比西伯利亚其他沿海高北极站的早期报告值高2-4.5ppm，这可能主要归因于夏季从北冰洋（AO）顺风向测量地点行进的原始气团的影响，而不是大陆下沉。

全年观测到的数据表明研究区域源/汇的主要CO₂特征（信号）为以下平均负异常：陆地−0.2±0.3 ppm（65%），而海洋（35%）显示出更低的负信号−0.4±0.7 ppm，初步认为与陆地生态系统相比，来自AO的气团中的CO₂消耗量更大。2020年初秋在“DAMIS”和卡拉海同时测量大气CO₂摩尔分数，证实了这种海-陆二氧化碳下降趋势。在研究船“Mstislav Keldysh院士号”上进行的海洋观测表明，与相应的沿海平均值（411.3±1.33 ppm）相比，海洋二氧化碳大气值明显较低（406±1.42 ppm）。

全年主要的CH₄特征是陆地轻微的负异常：−0.1±4.8 ppb（源-汇），海洋上的负信号高得多，从AO（35%）中观察到的数值为：-12.5±3.9 ppb，初步认为北冰洋上方的CH₄消耗上比大陆上方的强。甲烷特征（海洋-大陆）之间的统计显著性证实了观察到的海洋-大陆CH₄的下降。此外，2020年初秋在卡拉海研究船上进行的大气CH₄测量表明，与同时观测到的“DAMIS”沿海值（2001.4±5.9 ppb）相比，AO上空的CH₄值（1987±3 ppb）更低。

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