超大城市CO2排放通量研究：观测技术、评价方法和来源分析

Arguably more than 80% of carbon dioxide emissions originate in urban area, which occupy less 2.4 of land mass globally.with the urbanization，magnitude of carbon dioxide emissions from mega cities.A better understanding of urban carbon dioxide(CO2)emissions is important for quantifying urban urban contributions to the global carbon budget. however,there been few direct eddy convariance(EC)measurements of carbon dioxide from urban and subsurban area,particularlly urban area in developing countries.Due to the effect of complex heterogeneous urban surface on eddy convariance measurments,the application of EC technique on measurement of CO2 emissions from urban area is limited.For a better understanding of budget of CO2 in urban area in Beijing,which was one of largest megacities in China has undergone rapid urbanization associated with accelerated growth of CO2 emiting energy consumption during the past two decades,CO2 emissions will be measured by EC technique at 3 levels (47m,140m and 280m)on a tall meteorological tower. The propose of this study is to 1) develop the calculation ,correction and quality control procedure of fluxes measured by eddy convariance by analysising the effect of heterogeneous surface on turbulent flux,2)quantify the random and systemctic uncertainty of CO2 flux, 3)quantify the magnitude and temporal variability of CO2 emission over Beijing by combination gradient of CO2 flux with footprint model,4) to investigate the contribution the of various sources to total emission by carbon emission model that was validated with direct eddy covariance measurements

全球城市面积只占陆地面积的2.4%，但CO2排放总量却有75%-80%与之相关。随着城市化进程加快加剧，城市碳排放强度和排放量迅速上升。认知城市特别是超大城市的CO2排放强度及变化趋势，对节能减排、减缓气候变化和城市大气污染具有十分重要的意义。应用涡度相关法长期观测城市区域CO2直接排放在发达国家已有开展，但由于城市复杂异质下垫面的影响，方法的适用性受到很大限制。本研究拟以超大城市北京325米气象高塔为观测平台，使用涡度相关技术开展多层CO2排放通量梯度观测，通过多层数据融合分析，构建一套城市复杂下垫面条件下CO2排放通量的测算方法；通过通量数据的随机和系统误差分析，量化涡度相关方法在评估城市CO2排放中的不确定性；通过与碳排放模型结果比对，研究特定空间尺度内不同源/汇对CO2排放通量的贡献。

超大城市地区的长期二氧化碳观测对理解城市化在气候变化中的作用具有重要影响。从2009年到2017年，北京气象塔140米高处的涡度协变（EC）系统观测了二氧化碳通量。在通量数据用于评估城市二氧化碳排放强度前，我们对原始数据进行了校正，并对计算后的通量数据开展了质量控制。在昼夜和年度时间尺度上，城市底层表面是一个二氧化碳的净来源。9年的平均年总二氧化碳通量为36.4公斤CO2 m2 yr1。根据每年的主导风向，异质性校正对基于空白数据集的年总二氧化碳通量的影响可达到3.5%。结合同时期观测的PM2.5浓度数据，分析了温室气体和大气污染物的协同变换。在9年期间，二氧化碳通量和PM2.5浓度都呈现出年际下降的趋势，二氧化碳通量可以占到PM2.5浓度年际变化的64%。在夏季，排放更有可能控制PM2.5浓度的年际变化，而在冬季，气象条件对PM2.5浓度的年际变化有较大影响。为因应“碳污协同减排”研究，我们进一步构建了O3通量观测系统，并在鼎湖山森林下垫面开展了O3通量梯度观测。结果表明，O3在白天总是表现为沉降，最大的O3沉降通量出现在9:00-14:00LT，最大的O3沉降速度出现在9:00LT，而在夜间两者都接近于0。在正午时刻，冠层以下的O3沉降通量和O3沉降速度分别是冠层以上的36%和45%。O3通量与CO2通量、O3通量与潜热通量之间的良好相关性表明气孔吸收在O3沉降中的重要作用。气温、光合有效辐射和摩擦速度的增加会提高O3的沉降速度，相对湿度为70~80%时最有利于O3的沉降。