陆-海气团传输对黄海南部大气二氧化碳和甲烷混合比时空分布的影响
时间：2024-01-11 阅读：829
二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）是两种最重要的温室气体，在地球的辐射平衡中发挥着关键作用。受化石燃料燃烧、土地利用变化、森林砍伐等人为活动的持续影响，自工业革命时代（约1750年）以来，大气中二氧化碳和甲烷的混合比一直在上升，并在2021年达到最高值415.7±0.1 ppm和1908±2 ppb，约为工业化前水平的149%和262%。近几十年来，大气CO2和CH4混合比的时空分布越来越受到科学界的关注。船载观测被认为是观测温室气体的六种常用且重要的方法之一，本文主要介绍利用船载CRDS(光腔衰荡光谱)分析仪分别于2012年11月和2013年6月在中国南黄海进行了两次实地调查研究，以揭示中国陆架海域大气中CO2和CH4混合比的时空分布和调节机制。本研究的主要目标是:
(1)优化改进船基走行连续观测大气CO2和CH4混合比数据筛分方法;
(2)研究海-气交换对CO2和CH4混合比时空分布的影响;
(3)在野外调查中揭示季节性季风对南黄海海洋边界空气CO2和CH4时空分布的调节机制。
观测区域
黄海是亚洲大陆和太平洋之间气团运输的重要通道，可分为两个海域：黄海北部(NYS)和黄海南部(SYS)。覆盖面积约10.8×104 km2，平均深度44 m，受EAM（东亚季风）系统的强烈影响。如图1所示，为了研究大气CO2和CH4混合比的分布及其调控机制，2012年11月2日至8日和2013年6月22日至29日进行了两次调查研究，分别是EAM的典型时期(包括夏季风和冬季风)。为了保证观测数据的可比性，引入附近的三个陆基(岛)站(临安站（LAN）;济州高山站（JGS）;泰安半岛站（TAG）)进行对比分析。
图1：观测海域。粗黑色实线代表2012年11月(a)和2013年6月(b)的航行轨迹。蓝色符号分别代表泰安半岛站(TAP)，济州高山站(JGS)和临安站(LAN)，ECS代表东海，红色的十字代表每个自然日开始的位置。
图2：观测到的风向和风速(a、c)和模拟的风场(b、d)。模拟风场是根据欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的ERA5气压水平每小时数据绘制的。
气象资料
两次调查研究是在一艘为在海洋环境中进行多学科研究而设计的东方红二号的科考船上进行的，该船拥有一个船载大气科学实验室。可观测的气象数据包括时间、纬度、经度、巡航速度和方向、风速、风向、相对湿度、气压和温度，分辨率为10s，可用于筛分和标记观测到的CO2和CH4混合比数据，并验证模拟风场。
观测到的风数据被平均为每小时的数据，以供后续分析。如图2a所示，2012年11月调查期间，每小时平均风速为0.05~20.46 m/s，平均值为8.09(±4.17)m/s。主导风向为偏北和偏东北，表明气团从亚洲大陆流向太平洋。如图2c所示，2013年6月调查期间，每小时平均风速为0.08 ~ 9.42 m/s，平均值为4.72(±1.79)m/s。相反，主导风向转为南或东南，促使气团从太平洋向亚洲大陆流动。此外，观测到的主导风向(图2a和c)与模拟风场(图2b和d)基本一致，具有典型的冬、夏季风特征，是研究海陆空气团输送对海洋边界层CO2和CH4混合比时空变化影响的理想案例。
大气CO2和CH4混合比的测定
如图3a所示，在观测期间，为了避免人为污染，将进气口固定在船头最高点(海拔约10m)，靠近气象传感器，以避免人为污染。使用Picarro G2301高精度温室气体测定系统测定大气CO2和CH4的混合比。Picarro分析仪可以在5秒内获得一次CO2和CH4混合比（校正受水蒸气影响）的数据，已被证明是观测CO2和CH4的高精确度和准确度的好选择。如图3b所示，外部真空泵将环境空气抽入专用管道，并分别通过膜过滤器，充满高氯酸镁的干燥管和另一个膜过滤器，以去除颗粒和水气。然后，通过阀门顺序设置调节，干燥和清洁的空气样品以及标准气体通过一个8口样品选择阀，由质量流量控制器控制流量为200 mL/min后进入Picarro G2301分析仪。每次观测实验前后，对Picarro G2301分析仪进行校准，保证其正常工作状态。在现场调查中，每天自动按顺序测定三种标准气体，由Picarro G2301分析仪调节。根据3种标准气体(CO2为254.53(±0.06)ppm、365.14(±0.06)ppm和569.99(±0.08)ppm，CH4为1601.0(±0.8)ppb、1925.5(±0.8)ppb和2317.7(±0.5)ppb)的测定结果和标准值，建立线性函数，对观测数据进行校正。所使用的标准气可溯源至世界气象组织（WMO）一级标准，以保证观测数据的一致性、可追溯性和国际可比性。
图3：东方红二号科考船(a)，用于观测大气CO2和CH4的船载Picarro高精度温室气体分析仪监测系统示意图(b)。
大气CO2和CH4的混合比
一般来说，CO2和CH4混合比随着海拔和离大陆距离的增加以及纬度的降低而降低。陆架海域大气CO2和CH4混合比的时空分布不仅反映了自然特征，还反映了海洋油气勘探等多种人为过程：陆-海气团传输，以及观测仪器故障。在两次船载调查研究中，2012年11月大气CO2混合比为392.75 ~ 688.10 ppm(图4a和b)， 2013年6月为389.28 ~ 967.60 ppm(图4c和d)。2012年11月大气CH4混合比为1870.6 ~ 1986.0 ppb(图5a和b)， 2013年6月大气CH4混合比为1820.8 ~ 2179.0 ppb(图5c和d)。大气CO2和CH4混合比与北半球的历史观测结果相当。异常高的观测值归因于船舶废气或分析仪日常维护等的人为干扰。
图4：2012年11月和2013年6月黄海CO2混合比的时间(a、c)和空间(b、d)分布。
图5：11月和6月黄海CH4混合比的时间(a、c)和空间(b、d)分布。
数据处理方法
首先，利用线性函数对2012年11月和2013年6月沿巡航轨迹观测到的大气CO2和CH4混合比进行校正，每1 min平均一次，备份并生成可进行后续处理的“原始数据”。其次，根据航次记录，对仪表故障和日常维护引起的异常值进行标记。第三，当船舶在离散站点进行海洋调查或以低于风速的速度在下风向巡航时，观测到的大气CO2和CH4混合比可能受到船舶废气和人类活动的影响。根据研究经验将3 kn作为标记受船舶废气和人类活动影响的数据的标准。最后是大气温室气体观测中广泛使用的数据质量控制方法拉依达准则(“3σ”准则)，用于筛分和标记非背景测定结果。
图6：2013年6月28日20:40 - 29日6:40 (a)和2012年11月3日3:30 - 5:30 (b)观测到的CO2混合比和船速的变化。
图7：2012年11月和2013年6月CO2 (a, b)和CH4 (c, d)混合比的筛分结果。(a)和(b)的纵坐标在450至1050 ppm做了截断处理。黑点表示本底数据(Background)，蓝点表示更换干燥管(Manual)所影响的数据，灰色点表示低速航行(0-3kn)时受船舶排放影响的数据，红点表示通过拉依达准则(3σ)筛分出来的数据。
陆-海气团输送对大气CO2和CH4混合比分布的影响
海-气交换是CO2和CH4分子通过表层海水和上覆大气界面扩散的动态过程。大气CO2和CH4的源和汇是指它们由海水排放或被海水吸收。事实上，沿海浅海海域海-气交换对CO2和CH4混合比在时空尺度上影响很大。一般来说，从海水中排放到空气中的CO2和CH4很难通过大气测量来追踪，因为它们会被迅速稀释;只有浅层渗漏区和沿海地区能够直接影响当地大气CO2和CH4的混合比，并且可以测定。
为了估计海-气交换对大气CO2和CH4混合比的影响，我们使用了一种由Kourtidis等人(2006)描述并经Zang等人(2020)优化的简单方法：假设调查区域上方有一个顶板高为10米的盒子，对应于我们现场调查的进气口高度。大气CO2和CH4混合比仅受海-气交换的影响，当CO2和CH4被排放或被吸收时，它们的混合比会均匀地增加或减少，这是由海气CO2和CH4通量的平均计算结果引起的。
图8：2012年11月观测海域CO2和CH4混合比的空间分布。
陆-海气团传输对大气CO2和CH4混合比时空分布的影响
EAWM与亚洲大陆向西太平洋的大气复合输送密切相关。除第1段(S1)和第2段右端(S2)外，随着离岸距离的增加，CO2和CH4混合比呈减小趋势。(图8)。
总体而言，亚洲大陆的CO2和CH4混合比高于MBL参考值。EAWM驱动的陆-海气团运输会导致温室气体的水平传输。由于后续的混合和稀释，CO2和CH4的混合比将沿着风输送路线下降。同时，S1段和S2段右端由于主导风向为ENE-SE -S，大气CO2和CH4混合比较低且均匀，说明气团是从CO2和CH4混合比较低的太平洋输送过来的。
此外，后向轨迹分析显示，2012年11月几乎所有的传输路径都来自亚洲大陆，2013年7月几乎所有的传输路径都来自南海和西太平洋(图10)。导致2012年11月大气CO2和CH4混合比(图8)高于2013年7月(图9)。大气CO2和CH4混合比的季节变化与西太平洋大气CO2混合比的变化一致，西太平洋大气成分分布主要由来自太平洋的海洋气团和来自亚洲大陆的污染气团主导。
图9：2013年7月观测海域CO2和CH4混合比的空间分布
图10.两个典型位置(a)35.00°N、123.41°E和(b)32.53°N、125.22°E的后向轨迹。
如图11所示，2012年11月观测到的大气CO2和CH4混合比随风向的波动特征相同，表明其变化受陆-海气团输送主导，这与前人的研究结果一致。黑海天然气渗漏和“北溪”管道天然气泄漏的模拟研究表明，在5 ~ 30 km的距离上，逆风排放源可以增强大气CH4混合比。如图12所示，我们假设在运输过程中混合和稀释的影响是线性的。根据计算可知：中国陆架海域大气CO2和CH4混合比的空间分布可能在EAWM前期受到陆-海气团输送的显著影响。
图11：风向与CO2和CH4的大气混合比之间的关系。误差棒表示每个风向的标准差。
图12：2012年11月每0.1°(黑色)和0.5°(红色)的平均CO2 (a)和CH4 (b)。
基于2012年11月和2013年6月在南黄海船基走行连续观测到的大气CO2和CH4混合比及气象参数，优化并建立了一种数据筛分方法，该方法可用于标记受多种自然过程和人类活动影响的CO2和CH4混合比数据。大气CO2和CH4混合比的空间和季节变化主要受EAM调节，而海-气交换的影响很小或可以忽略不计。夏季风导致大气CO2和CH4混合比相对较低，且从东南向西北逐渐增加。相反，冬季季风增强了陆地到海洋的气团输送，导致较高的大气CO2和CH4混合比，并且随着离岸距离的增加而呈递减的趋势。在东亚冬季风早期，陆-海气团传输对CO2和CH4混合比的影响范围约为20Km内。