Picarro G2401（使用CO示蹤在亞熱帶潮濕地區(qū)進(jìn)行大氣CO?源解析的探索）

自上而下和自下而上的二氧化碳（CO₂）監(jiān)測(cè)方法都可以提供關(guān)于不同人為排放詳細(xì)的清單數(shù)據(jù)。但是，準(zhǔn)確確定城市生物和人為CO₂源和匯之間的分配仍然非常困難。主要原因是厘清人為和生物CO₂的源和匯，以及涉及測(cè)量城市人為和生物CO₂混合比以及城市植被對(duì)碳流影響的研究較少。由于許多城市生態(tài)系統(tǒng)被植被包圍，與非城市生態(tài)系統(tǒng)相比，城市生態(tài)系統(tǒng)中獨(dú)特的生長(zhǎng)條件有助于提高生物圈碳循環(huán)率，從而導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)和城市生長(zhǎng)季節(jié)延長(zhǎng)。因?yàn)榫_測(cè)量的CO₂混合比是推導(dǎo)區(qū)域尺度凈CO₂通量的關(guān)鍵組成部分，為了描述生物對(duì)整體城市CO₂混合比的貢獻(xiàn)，本研究使用一氧化碳（CO）作為示蹤，通過(guò)使用高精度的Picarro CRDS技術(shù)測(cè)量對(duì)CO₂和CO混合比進(jìn)行了深入探索。

研究使用Picarro G2401氣體濃度分析儀對(duì)CO₂、CO、CH₄和H₂O進(jìn)行測(cè)量。儀器5秒、5分鐘和60分鐘的CO測(cè)量精度分別為15、1.5和1ppb，CO₂為50、20和10ppb，CH₄為1、0.5和0.3ppb。CO、CO₂與CH₄在標(biāo)準(zhǔn)溫壓（STP）下24小時(shí)內(nèi)的最大漂移分別為10ppb、100 ppb與1ppb。該儀器配備了水汽校正軟件，可自動(dòng)報(bào)告干氣摩爾分?jǐn)?shù)。根據(jù)世界氣象組織（WMO）推薦的各氣體兼容性目標(biāo)（CO₂和CH₄分別為±100 ppb和±2 ppb），研究使用了三個(gè)已知CO₂和CH₄濃度的參考標(biāo)氣進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)氣體的濃度跨越了預(yù)期的大氣濃度范圍，以5s的頻率記錄測(cè)量結(jié)果。

研究者對(duì)原始CRDS數(shù)據(jù)進(jìn)行了手動(dòng)檢查，以排除受本地點(diǎn)源影響的CO、CH₄和CO₂觀測(cè)結(jié)果，這些點(diǎn)源包括異常高的交通影響、CRDS儀器操作員在采樣口的呼吸以及農(nóng)業(yè)或相關(guān)排放。在基于持續(xù)幾秒到幾分鐘的峰值的地面城市混合比測(cè)量中，很容易觀察到明顯、重要的局部點(diǎn)源。通過(guò)在觀測(cè)到的CO、CH₄和CO₂混合比中應(yīng)用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差（2σ）濾波，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步的數(shù)據(jù)標(biāo)記和過(guò)濾。

可追溯至NIST的標(biāo)準(zhǔn)氣體來(lái)自美國(guó)液化空氣公司Air Gas，用于Picarro G2401的校準(zhǔn)和漂移和精度檢查。研究人員定期進(jìn)行短期漂移測(cè)試（24小時(shí)和48小時(shí)漂移分析），測(cè)量期間，未發(fā)現(xiàn)校準(zhǔn)曲線(xiàn)有任何顯著的漂移或變化，這使測(cè)量系統(tǒng)能夠在沒(méi)有任何重新校準(zhǔn)的情況下運(yùn)行數(shù)月。為了消除點(diǎn)源異常高的混合比信號(hào)，將采氣入口放置在離地面15米的田納西理工大學(xué)足球場(chǎng)西側(cè)，流速為350–400 sccm。

正如早期關(guān)于CO:CO₂混合濃度比研究的報(bào)道所示，與冬季CO:CO₂的高相關(guān)性比（correlation ratio）不同，春季和夏季的相關(guān)比較低。除了之前報(bào)道的冬季、春季和夏季的比率外，本研究還計(jì)算了秋季的比率（見(jiàn)表）。為了全面了解人為排放程度，本研究計(jì)算得到的CO:CH₄相關(guān)性比較低，這主要是由于較低的地面人為CO₂排放和強(qiáng)烈的夏季生物大幅度的排放變化。秋季是一個(gè)過(guò)渡季節(jié)，伴隨著樹(shù)葉變化，除了光合作用減少外，秋季的生物排放也低于夏季，導(dǎo)致人為CO₂排放表現(xiàn)的更為突出。在冬季，生物成因的影響顯著減少，導(dǎo)致背景CO₂和CO相關(guān)性比更強(qiáng)，因?yàn)槌鞘蠧O₂信號(hào)主要來(lái)自人類(lèi)產(chǎn)生的燃燒過(guò)程。春季的特點(diǎn)是植物的初始生長(zhǎng)比冬季光合作用更強(qiáng)。因此，春季反映了比冬季略低的相關(guān)性比。

本研究為田納西州庫(kù)克維爾的城市人為和生物CO₂信號(hào)提供了有價(jià)值的信息，使用CO示蹤技術(shù)，研究者獲得了2017年、2018年和2019年冬季生物成因CO₂成分，其振幅值分別為4.09、3.62和2.44 ppm。與春季生物成因CO₂基本為負(fù)相比，觀測(cè)到的冬季季節(jié)性生物成因混合比為正（接近1）。利用CO作為示蹤，將測(cè)得的CO₂信號(hào)劃分為人為和生物干摩爾分?jǐn)?shù)。2017年至2019年間，冬季生物成因CO₂的平均季節(jié)干混合比在−0.65±3.44 ppm和0.96±2.66之間變化記錄到的最大季節(jié)性生物混合比在5.01至7.84 ppm之間變化。另一方面，這三年中，平均人為CO₂混合比在5.74±4.94 ppm和8.12±4.33之間變化，最大季節(jié)值分別為16.68、9.81和13.65 ppm。這項(xiàng)研究的結(jié)果可以作為評(píng)估衛(wèi)星測(cè)量和區(qū)域氣候空氣質(zhì)量模型的基礎(chǔ)資料。這項(xiàng)研究未來(lái)可以進(jìn)一步深化比較觀測(cè)到的人為和生物CO₂混合比與數(shù)值建模系統(tǒng)預(yù)測(cè)的混合比的研究。另外，由于生物燃料繼續(xù)在運(yùn)輸業(yè)中發(fā)揮重要作用，在未來(lái)的研究中可以使用其他示蹤技術(shù)，如¹³C（CO₂的穩(wěn)定同位素），可以提高將城市CO₂歸因于化石燃料和生物貢獻(xiàn)的準(zhǔn)確性。

Picarro G2401可以同時(shí)監(jiān)測(cè)CO₂、CH₄、CO和H₂O四種氣體。G2401 遵從世界氣象組織 ( WMO ) 及其它國(guó)際性網(wǎng)絡(luò)（如歐洲綜合碳觀測(cè)系統(tǒng)，ICOS）設(shè)立的關(guān)于大氣監(jiān)測(cè)站的性能規(guī)格。高精度四組分連續(xù)測(cè)量、高精度、野外可部署性以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性，讓 G2401 成為溫室氣體測(cè)量?jī)x器的明智之選。

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