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区域高分辨率碳同化系统研发及人为碳排放估算研究

鲁立江  
【摘要】:大气同化反演方法已被证明是获取地表碳源汇的有效方法之一。但是,当前开展的碳同化反演研究主要集中在全球或大洲等较大尺度,其空间分辨率较为粗放(通常以度为单位),反演结果无法满足区域尺度碳源汇研究的精细化要求。主要原因有:(1)观测数据稀疏且时空分布不均匀;(2)高维、高分辨率运算导致反演系统对运算资源要求过高、运算效率太低。因此,当前亟需发展更高分辨率、更高效的区域碳同化反演系统,并在此基础上开展精细化的碳源汇估算研究。本文实现了POD4DVar(The Proper Orthogonal Decomposition based Four-Dimensional Variational Data Assimilation)高效同化算法和区域大气传输模型CMAQ的耦合,研发了区域高分辨率碳同化反演系统,命名为Tracers Tracker。根据CO传输特性及其变化规律,给出了CO通量反演的具体方法和实施步骤。针对观测数据匮乏导致区域CO_2通量无法反演的问题,提出了基于CO_2/CO排放比的CO_2通量反演方法和基于CO_2/CO浓度比的CO_2通量反演方法。为检验Tracers Tracker系统在不同情景下的通量反演效果,选取了中国境内地理和气候条件不同、经济发展水平各异的上甸子区域和瓦里关区域进行了验证,实现了两个区域内CO和CO_2通量的反演优化,对CO_2人为通量和自然通量进行了定量区分。主要研究内容和成果如下:(1)基于POD4DVar高效同化算法,研发了区域高分辨率碳同化反演系统。POD4DVar是基于本征正交分解的四维变分同化方法,它用较少的基向量捕捉数据的时空演变特征,使高维运算问题可以在维度较低的环境下得到解决,克服了传统四维变分同化方法在开发和维护中的困难。本文实现了POD4DVar高效同化算法和区域大气传输模型CMAQ(The Community Multiscale Air Quality Model)的耦合,研发了区域高分辨率碳同化反演系统Tracers Tracker。对该系统进行了有效性验证,结果表明,Tracers Tracker系统可以有效吸收观测信息,较好地消除先验通量中的“误差”,明显提高后验模拟的准确性。(2)对研究区域内的CO通量进行了反演优化。本文发展了区域CO通量反演的具体方法,把Tracers Tracker系统应用到两个研究区域,基于区内31组CO地基浓度观测数据,反演得到了3 km分辨率CO通量。结果表明,CO后验通量明显高于先验通量,在上甸子区域和瓦里关区域分别增加了32.7%和62.3%。优化后的CO通量的变化规律也更符合实际,与先验模拟相比,后验模拟绝对误差均值在两个区域分别减小了23%和27%,相关系数均值在上甸子区域由0.6提升至0.79,在瓦里关区域由0.66提升至0.76。(3)提出了基于CO_2/CO排放比的CO_2通量反演方法,利用该方法在研究区域内开展了高分辨率CO_2通量的反演和不确定分析。该方法克服了因CO_2观测数据不足所导致的区域CO_2通量无法反演的困难,利用当前已知排放清单中的CO_2/CO伴生比例关系,将CO_2/CO排放比作为状态变量参与到同化系统中,最终实现3 km高分辨率CO_2通量的反演和优化。验证结果表明,该方法获取的CO_2通量极大地优化了先验通量,有效减小了后验模拟误差,明显提升了CO_2后验模拟与观测数据的相关系数。与先验模拟相比,后验模拟绝对误差均值在两个区域分别减小了65%和62%,相关系数均值在上甸子区域由0.67提升至0.88,在瓦里关区域由0.69提升至0.89。(4)提出了基于CO_2/CO浓度比的CO_2通量反演方法,利用该方法在研究区域开展了高分辨率CO_2通量的反演和不确定分析。该方法针对CO_2观测数据不足导致的区域CO_2通量无法反演的问题,从当前较为有限的CO_2、CO卫星及大气本底站观测数据中提取近地表CO_2/CO混合浓度比,依据此浓度比及当前较为丰富的CO地基观测数据推算“CO_2观测数据”,进而利用Tracers Tracker系统同化“CO_2观测数据”反演得到高分辨率CO_2通量,优化后的CO_2通量空间分辨率提升至3 km。验证结果表明,该方法获取的CO_2通量在少数时段可以优化先验通量,但整体上表现并不稳定。CO_2后验模拟误差没有明显减小,在两个区域较先验模拟仅分别减小了2%和3%,与观测数据的相关性甚至出现了下降,上甸子区域相关系数均值由0.67下降为0.66,在瓦里关区域由0.69下降到0.68。(5)对CO_2人为排放通量和自然通量进行了定量区分。结果表明,上甸子区域是明显的碳源,并且该区域碳源有逐年变大的趋势,基于CO_2/CO排放比和浓度比反演的CO_2后验总通量分别为36.5摩尔/秒和38.1摩尔/秒,人为、自然CO_2排放比分别为4.9:1和5:1。瓦里关区域是较小的碳汇,并且该区域碳汇有逐年减小的趋势,基于CO_2/CO排放比和浓度比反演的CO_2后验总通量分别为-4.4摩尔/秒和-4.0摩尔/秒,人为、自然CO_2排放比分别为1:2和1:1.8。该论文有图79幅,表36个,参考文献204篇。


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