收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

基于WRF-STILT模型的大气CO_2浓度模拟

胡诚  
【摘要】:二氧化碳(CO_2)作为最主要的温室气体,不仅会造成全球变暖,还会引起生物圈层的剧烈变化,其浓度高低能直接表征大气成分的变化幅度,更可反映地气之间的CO_2交换过程。基于连续性、高精度的大气CO_2浓度数据,利用大气传输模型定量计算区域(102~106km2)及以上空间尺度的CO_2通量,是预测大气CO_2浓度变化的基础,有助于评估CO_2对气候变化的影响,可为制定节能减排政策提供科学支持。城市和农业生态系统分别作为主要的碳源、碳汇,在全球碳循环中发挥着重要作用。农业区下垫面平坦均一,CO_2浓度变化受植被生态系统净交换的影响最大;城市区下垫面复杂,其CO_2浓度变化主要受人为源排放的影响。本研究分别选取2个具有代表性的农业区(美国玉米带)和城市区(南京市),作为对大气CO_2浓度进行观测和模拟的试验区域。美国玉米带“U.S.Corn Belt”是全球最大的玉米种植区,该观测站点已积累丰富和长期(2007-2016年)的观测资料,包括高塔不同观测高度的CO_2浓度、碳氧同位素和涡度相关通量观测数据;南京市位于经济发达的长三角且工业强度高,对大气CO_2浓度观测时段为2012-2016年。本文将利用WRF-STILT大气传输模型和高空间与时间分辨率的CO_2通量资料,模拟两个典型下垫面的大气CO_2浓度,进而基于涡度相关观测和贝叶斯反演算法对CO_2通量进行评估,同时探索模拟区域大气CO_2浓度组成,气象要素对大气CO_2浓度的影响,以及定量CO_2浓度的footprint源区,并就同位素资料在未来CO_2通量反演的适用性进行了分析。本文得到的主要结论如下:(1)WRF-STILT模型能够准确地模拟农业区100m高度处大气CO_2浓度的显著季节和日变化特征;高塔浓度的足迹权重(footprint)源区的年变化并不显著,约80%的浓度贡献值是在观测前12小时大气流经源区时产生的;模型模拟的δ~(13)C同位素组分和观测值接近。发现在CO_2通量空间分布异质性大的区域,不能简单使用浓度的组成来代表区域通量的组成,还应结合浓度贡献源区进行深入研究。全年大气CO_2浓度的模拟值和观测值的均方根误差为10.61 ppm,尤其在生长季(6~9月),100 m高度处观测到的CO_2浓度平均日振幅为20.16 ppm,与模拟结果24.30 ppm相近。即便在该农业种植区,化石燃料燃烧贡献对CO_2浓度的增加量可高达6.61 ppm,不过结果同样反映了人为源CO_2通量的高估或植被生态系统净交换的低估。使用低空间分辨率人为源模拟得到的CO_2浓度增加值只有高空间分辨率的0.4倍,这强调了使用高空间分辨率排放源的必要性。下垫面分类误差以及相应的通量误差使模拟的CO_2浓度贡献出现12 ppm的差异,这是模拟结果偏高7.26 ppm的潜在误差来源。化石源和植被生态系统净交换对CO_2浓度模拟的贡献值分别与供暖季和生长季观测的δ~(13)C、δ~(18)O有极显著(p0.001)的负相关关系。这是未来基于同位素观测进一步优化CO_2通量的研究方向。白天(10:00~16:00)和夜晚(23:00~5:00)浓度贡献源区差异显著,对于主要的贡献源区面积,白天是夜晚的2~4倍。此外,基于涡度相关观测以及贝叶斯反演算法都得出先验CO_2通量偏高的结果,将基于同位素观测耦合到贝叶斯反演算法中,优化了人为排放源的大小,并降低了人为源的不确定性。(2)在CO_2人为源排放空间异质性强,且排放量大的南京市大气CO_2浓度观测点,WRF-STILT模型能模拟出4个季节观测到的CO_2浓度显著的季节变化和日变化特征,在南京区域边界层高度的变化相对于CO_2通量的变化,是引起CO_2浓度变化的主要因素。影响该34m观测点CO_2浓度的主要影响区域覆盖长三角区域,然而安徽东部和江苏中南部对其浓度潜在影响更大。在大气背景值基础上,CO_2浓度增加值的85%是在过去1天区域源的贡献引起的。石油生产(提炼)与能源贡献分别占据模拟CO_2浓度增加值的41%和26%,而两者只占长三角区域的通量的3%和35%,说明对于空间异质性强的城市区域,不能使用大气CO_2浓度组分来表征区域平均的CO_2通量组成,应结合足迹权重(footprint)的模拟结果来进行深入分析。(3)城市区域模拟的人为源CO_2浓度贡献值在春夏季节为20 ppm,在秋冬季节则高达30 ppm,农业区的CO_2人为源贡献则低于7 ppm,即便玉米带年平均的NEE为负(碳汇),但是其浓度贡献值却为大于0,这主要是由于夜晚低的边界层高度使得即便和白天相同的CO_2通量(符号相反),产生的CO_2浓度贡献值高于白天(符号相反)。农业种植区全年浓度变化范围在350-420 ppm之间,6-9月会低于背景值浓度,而对比分析南京城市2014年观测到的C02浓度,全年其浓度基本在400-550 ppm之间变化,并没有明显的季节变化过程,模型都能很好模拟出这两个不同的变化特征。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前14条
1 王久恩,刘化民,王建民;CO_2浓度和光照强度对平菇子实体发育的影响[J];食用菌;1988年04期
2 杨勇;季慧敏;殷鸿洋;杨益众;苏宏华;;大气CO_2浓度升高对棉蚜生长繁殖及体内主要代谢产物的影响[J];植物保护;2018年05期
3 姚玉璧;雷俊;牛海洋;张秀云;肖国举;;CO_2浓度升高与增温对半干旱区马铃薯光合特性的协同影响[J];生态环境学报;2018年05期
4 蔡寅潮;韩炜;管文轲;费兵强;马霄华;党亚玲;;乌鲁木齐夏季近地面CO_2浓度空间分布特征[J];环境科学与技术;2018年06期
5 王从;李舒清;刘树伟;邹建文;;大气CO_2浓度和温度升高对稻麦轮作生态系统N_2O排放的影响[J];中国农业科学;2018年13期
6 吕雨晴;孙倩;王广;魏君玉;马雯;刘长仲;;大气CO_2浓度升高对豌豆蚜体内糖含量的影响[J];农业科技与信息;2018年15期
7 朱举贤;黄华尧;姜世楠;王娟;;CO_2浓度检测记录成本分析[J];舰船防化;2013年04期
8 王秀娟;刘米雪;李胜男;史小丽;;CO_2浓度升高对浮游藻类元素化学计量值的影响[J];湖泊科学;2017年06期
9 陈佳妮;林丽春;徐年军;张琳;孙雪;;CO_2浓度对雨生红球藻生理生化指标的影响[J];生物技术通报;2018年01期
10 张晓芳;徐辉;刘宏文;王明涛;王仁斌;李毅;赵德辉;李振强;石其寿;赵伟东;王伟;付晚涛;;大气CO_2浓度升高对繁茂膜海绵滤食海水细菌能力的影响[J];海洋科学;2017年07期
11 魏君玉;孙倩;马雯;王广;吕雨晴;刘长仲;;大气CO_2浓度升高对豌豆蚜体内蛋白质和脂肪含量的影响[J];甘肃科技;2018年17期
12 牟善莉;李刚;李鸿妹;李法中;邵智生;李劲松;曲长凤;张永雨;;近海聚球藻Synechococcus PCC7002在不同生长期对环境CO_2浓度升高的生理响应[J];中国科学:地球科学;2018年12期
13 张礼根;;光照强度和CO_2浓度对光合作用的影响及实例分析[J];中学生物教学;2018年02期
14 钟海秀;伍一宁;许楠;倪红伟;;大气CO_2浓度升高对三江平原湿地小叶章叶片稳定碳同位素组成的影响[J];国土与自然资源研究;2018年01期
中国重要会议论文全文数据库 前4条
1 姚玉璧;雷俊;牛海洋;张秀云;肖国举;;CO_2浓度升高与增温对半干旱区马铃薯光合特性的协同影响[A];第35届中国气象学会年会 S5 气候变暖背景下干旱灾害形成机制变化与监测预测及其影响评估[C];2018年
2 张虹霞;郭全;史永征;;教室CO_2浓度及温湿度的实测与分析[A];全国暖通空调制冷2010年学术年会论文集[C];2010年
3 魏晓真;冯原;潘学良;张历华;曲云霞;;高校学生宿舍冬季室内环境测试与分析[A];全国暖通空调制冷2010年学术年会资料集[C];2010年
4 肖玉兰;张光怡;杨育华;刘滔;;植物无糖培养微繁殖规模化生产技术[A];中国园艺学会第九届学术年会论文集[C];2001年
中国博士学位论文全文数据库 前8条
1 胡诚;基于WRF-STILT模型的大气CO_2浓度模拟[D];南京信息工程大学;2017年
2 滕年军;拟南芥有性生殖模式和叶片特性对大气CO_2浓度变化的响应[D];中国科学院研究生院(植物研究所);2006年
3 陈照志;稻田土壤碳氮转化过程对大气CO_2浓度和温度升高的响应[D];南京农业大学;2016年
4 季顺川;利用天水盆地碳酸钙同位素重建中新世中晚期大气CO_2浓度变化[D];兰州大学;2017年
5 黄淑萍;刺槐幼苗根际微环境对大气CO_2浓度升高和土壤Cd、Pb污染耦合的响应机制[D];长安大学;2017年
6 陈立同;中国西部森林树种对环境变化梯度的生理生态响应[D];兰州大学;2010年
7 周小玲;4个四川桤木品系苗木的生理生态机理研究[D];中南林业科技大学;2007年
8 张登春;旅客列车车厢内气流分布特征与环境舒适性研究[D];上海大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 刘思远;室内CO_2浓度分布参数系统的辨识与控制[D];北京交通大学;2018年
2 刘超;不同CO_2浓度升高水平对稻麦生长和产量的影响[D];南京信息工程大学;2018年
3 李济之;CO_2浓度对蛹虫草生长发育及品质的影响[D];沈阳农业大学;2018年
4 卢璐;不同CO_2浓度对葛仙米生理生化特性的影响及葛仙米大量培养研究[D];华中科技大学;2016年
5 李丹;不同大气CO_2浓度下外来入侵植物瘤突苍耳和两种本地近缘植物的土壤反馈研究[D];沈阳农业大学;2017年
6 胡春峰;不同CO_2浓度下瘤突苍耳及本地近缘植物凋落物特性的差异[D];沈阳农业大学;2017年
7 李宁;高温和高CO_2浓度对烟粉虱生长发育及生理代谢的影响[D];西北农林科技大学;2017年
8 王娟;高CO_2浓度和剪叶疏花对水稻产量和品质性状的影响[D];扬州大学;2017年
9 刘金萍;高CO_2浓度对棉铃虫适合度及肠道微生物的直接影响[D];华中农业大学;2017年
10 吴林;考虑CO_2影响的玉米蒸散量模拟研究[D];青海师范大学;2017年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978