麥博儒,安興琴,鄧雪嬌*,周凌晞,王春林,李 菲,黃建平,陳 玲,尹淑嫻

(1.中國(guó)氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所/廣東省區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報(bào)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州510080；2.中國(guó)氣象局大氣化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)氣象科學(xué)研究院大氣成分研究所,北京100081；3.廣東省氣候中心,廣東 廣州510080；4.南京信息工程大學(xué),耶魯-南京信息工程大學(xué)大氣環(huán)境研究中心,江蘇 南京210044；5.東莞市氣象局,廣東 東莞523086)

珠江三角洲近地層CO2通量模擬分析與評(píng)估驗(yàn)證

麥博儒1,安興琴2,鄧雪嬌1*,周凌晞2,王春林3,李 菲1,黃建平4,陳 玲5,尹淑嫻5

(1.中國(guó)氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所/廣東省區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報(bào)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州510080；2.中國(guó)氣象局大氣化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)氣象科學(xué)研究院大氣成分研究所,北京100081；3.廣東省氣候中心,廣東 廣州510080；4.南京信息工程大學(xué),耶魯-南京信息工程大學(xué)大氣環(huán)境研究中心,江蘇 南京210044；5.東莞市氣象局,廣東 東莞523086)

利用能分別代表珠江三角洲草地、城市綠地及地帶性森林植被生態(tài)系統(tǒng)的番禺站、東莞站和鼎湖山站CO2凈通量資料對(duì)CT-2010碳源匯反演模式系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證,并利用該模式初步分析了區(qū)域凈碳通量的時(shí)空分布及不同生態(tài)系統(tǒng)的碳匯特征.結(jié)果表明: CT-2010模式模擬的珠江三角洲城市綠地、地帶性植被、以及草地生態(tài)系統(tǒng)碳通量與站點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果具有較好的一致性,其擬合相關(guān)系數(shù)(r)高于0.60(P<0.01),小時(shí)、逐日、日變化的殘差均值低于2.0μmol/(m2·s);模式一定程度上能反映3種生態(tài)系統(tǒng)碳通量的季節(jié)分布特征,但各月的模擬值均高于觀測(cè)值,其中對(duì)城市綠地生態(tài)系統(tǒng)的模擬最接近,殘差年均值為0.964μmol/(m2·s),對(duì)草地和地帶性森林植被生態(tài)系統(tǒng)的模擬效果相當(dāng),殘差年均值分別為2.056,2.100μmol/(m2·s);2004～2005年期間珠江三角洲地區(qū)近地層凈碳通量為3.43μmol/(m2·s),其中冬季最強(qiáng),為1.4μmol/(m2·s),春季次之,為1.35μmol/(m2·s),秋季和夏季最低,分別為0.51和0.18μmol/(m2·s);在冬、春兩季,珠江三角洲區(qū)域?yàn)閺?qiáng)的碳源區(qū),而在夏、秋季,粵北和粵東大部分地區(qū)為較弱碳匯區(qū);2004～2005年期間珠江三角洲地區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯為-6.5×10-3PgC,其中農(nóng)作物,草地/灌木,常綠針葉/闊葉混合林是吸收CO2的主要生態(tài)系統(tǒng),其凈通量占陸地生態(tài)系統(tǒng)的比率分別為42.01%,31.46%和26.53%.

Carbon Tracker碳源匯反演模式；珠江三角洲區(qū)域；近地層CO2通量；陸地生態(tài)系統(tǒng)

有效評(píng)估陸地生態(tài)系統(tǒng)凈碳通量水平及其時(shí)空分布特征,將有助于深入了解區(qū)域大氣溫室氣體增長(zhǎng)量中CO2人為源和自然匯的相對(duì)貢獻(xiàn),同時(shí)也對(duì)預(yù)測(cè)未來(lái) CO2增長(zhǎng)率及其對(duì)氣候變化的影響具有重要意義[1-2].研究發(fā)現(xiàn),2001～2011年全球陸地生態(tài)系統(tǒng)吸收了大約2～4Pg C(1PgC =1015g C),抵消了將近30%的人類活動(dòng)排碳量[3-5].1980～2000年,中國(guó)區(qū)域森林、草地和灌木等生態(tài)系統(tǒng)的碳匯分別為-0.075,-0.007,以及-0.014～-0.024PgC/a,相當(dāng)于吸收了同時(shí)期全國(guó)工業(yè)生產(chǎn)排碳量的20.0%～26.8%[6].然而,目前有關(guān)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳源、匯的強(qiáng)度、時(shí)空分布特征的定量評(píng)估仍存在很大的不確定性[7-9].

近年來(lái),科學(xué)家們利用渦度相關(guān)技術(shù)對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣間的凈碳交換開(kāi)展了觀測(cè)研究[10-11],初步探明了不同植物生態(tài)系統(tǒng)碳通量強(qiáng)度、通量的長(zhǎng)時(shí)間序列分布特征及其影響因素[12-14],特別是2002年建立的中國(guó)通量觀測(cè)網(wǎng) ChinaFLUX,顯著推動(dòng)了我國(guó)地表碳通量研究[15-16].然而,由于傳統(tǒng)的地面觀測(cè)受到站點(diǎn)數(shù)量、分布及其所代表的空間尺度的限制[2],制約了陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡及碳源匯分布特征的定量評(píng)估.

利用模式計(jì)算的方法評(píng)估近地層凈碳交換,是揭示陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制的重要途徑.這些方法包括:統(tǒng)計(jì)清單模型[9,17-18],生態(tài)系統(tǒng)模型[8,19],以及大氣反演模型[2,20-21].上述方法都在逐步改善評(píng)估技術(shù),以試圖包含更多的碳循環(huán)信息、更好地分離出不同時(shí)空尺度上的碳通量[1].其中,大氣反演方法能有效捕捉碳源匯的時(shí)空變化特征[22].該方法是利用大氣傳輸模式和先驗(yàn)通量對(duì)大氣 CO2濃度的分布和輸送過(guò)程進(jìn)行模擬,同時(shí)利用觀測(cè)的CO2濃度資料優(yōu)化模擬的陸地和海洋碳通量[21,23].一些學(xué)者基于嵌套技術(shù)發(fā)展大氣反演模式系統(tǒng),并分析了北美、中國(guó)等區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)碳源匯的時(shí)空分布[23-24]. Peters等[21]發(fā)展了第一個(gè)全球碳同化和反演模式系統(tǒng)—CarbonTracker(CT), 并評(píng)估、分析了北美區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量特征.基于CarbonTracker模式,科學(xué)家們開(kāi)展了近地層碳通量的評(píng)估及驗(yàn)證研究[25-26],也有學(xué)者根據(jù)不同地區(qū)和國(guó)家的狀況,引進(jìn)、發(fā)展了該模式,形成具有區(qū)域特點(diǎn)的反演模式系統(tǒng),如 CT(NOAA), CT-Europe[1,27],CT-Asia等.最近,我國(guó)一些學(xué)者開(kāi)展了 CT模式在中國(guó)的移植和適用性驗(yàn)證,獲取了2000～2009年中國(guó)代表性區(qū)域CO2濃度和通量的初步模擬結(jié)果[28].也有學(xué)者根據(jù)中國(guó)地域和生態(tài)系統(tǒng)的特征,對(duì) CT模式系統(tǒng)進(jìn)行了本地化改進(jìn),同時(shí)評(píng)估、分析了我國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳源匯分布[22,29].總體而言,目前我國(guó)溫室氣體的反演模型研究仍處于初步階段,無(wú)法滿足我國(guó)碳平衡的定量評(píng)估其與氣候變化相互作用的研究需求.

珠江三角洲(以下簡(jiǎn)稱珠江三角洲)地區(qū)是中國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá),最具活力的都市群之一,同時(shí)也是溫室氣體排放高值區(qū).研究發(fā)現(xiàn),該區(qū)域溫室氣體有明顯的地域特點(diǎn)[30].此外,區(qū)域碳通量和潛熱通量的季節(jié)變化在陸?氣能量平衡中具有非常重要的作用,是反映區(qū)域氣候變化的強(qiáng)烈信號(hào)[31].然而,珠江三角洲地區(qū)近地層 CO2通量的分布特征及其影響機(jī)制如何,目前尚不清楚.本研究利用2010版本的CT模式系統(tǒng)對(duì)珠江三角洲區(qū)域近地層碳通量進(jìn)行模式驗(yàn)證及模擬研究,初步分析凈碳交換通量的區(qū)域、季節(jié)變化特征,估算陸地生態(tài)系統(tǒng)自然碳匯的相對(duì)貢獻(xiàn),以期為了解區(qū)域溫室氣體分布和相互影響,客觀、準(zhǔn)確地評(píng)估碳源匯的驅(qū)動(dòng)機(jī)制提供理論支持.

1 CT模式計(jì)算過(guò)程及模擬參數(shù)設(shè)置

1.1 CO2通量的計(jì)算過(guò)程

在CT-2010中,地表凈碳交換通量(NEE)考慮了4種來(lái)源,分別為:化石燃料燃燒、火災(zāi)災(zāi)情、陸地生物圈交換和海?氣交換通量.其中,化石燃料燃燒通量和火災(zāi)災(zāi)情通量主要通過(guò)“自下而上”的方法,估算不同區(qū)域通量的分布和強(qiáng)度,而生物圈和海洋通量使用了數(shù)據(jù)同化技術(shù)進(jìn)行重新調(diào)整,將模擬的碳通量信息與觀測(cè)值進(jìn)行匹配[21].模式中瞬時(shí)碳通量的計(jì)算過(guò)程如下:

式中:βιοF ,oceF ,ffF ,fireF 分別代表生物圈,海洋,化石燃料燃燒以及火災(zāi)災(zāi)情通量,rλ代表了一定時(shí)間內(nèi)不同區(qū)域需要評(píng)估的線性標(biāo)度因子.若時(shí)間分量不變,每個(gè)rλ 將由特定區(qū)域的碳通量分布特征決定.CT-2010將全球海洋圈分為30個(gè)區(qū)域,同時(shí)根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)類型和地理位置的特點(diǎn),將陸地圈分為11個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域包含了19種植被生態(tài)系統(tǒng)[32].因此,理論上模式中的r應(yīng)該為239,但實(shí)際上 r=156,主要是因?yàn)槟Ｊ轿纯紤]雪蓋區(qū)、湖泊區(qū)和沙漠等的影響.當(dāng)rλ 確定后,再參照 Peters 等[33]的方法,利用 Kalman 濾波器對(duì)rλ 數(shù)據(jù)集進(jìn)行優(yōu)化,從而降低模式模擬的碳通量與觀測(cè)值的誤差.

1.2 先驗(yàn)源、氣象場(chǎng)及數(shù)據(jù)同化資料來(lái)源

CT-2010輸入的資料包括源排放、觀測(cè)數(shù)據(jù)和氣象場(chǎng)資料.源排放資料包括海洋反演通量、火災(zāi)通量、生物圈通量、化石燃料燃燒通量.其中,海洋反演通量采用Takahashi PCO2方案[34]進(jìn)行通量估算;火災(zāi)通量來(lái)源于GFEDv2數(shù)據(jù)庫(kù);生物圈通量來(lái)源于CASA模型的計(jì)算結(jié)果;化石燃料燃燒通量源于EDGAR數(shù)據(jù)庫(kù).此外,氣象數(shù)據(jù)由每6h 時(shí)次的ECMWF數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng);數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)中的 CO2觀測(cè)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于全球/區(qū)域航空測(cè)量和地基觀測(cè)值,包括美國(guó)的Mauna Loa背景站、NOAA ESRL實(shí)驗(yàn)室的高塔站、高山站等.

1.3 模擬區(qū)域設(shè)置

本研究中,CT-2010模擬區(qū)域?yàn)?10°E～118°E,20°N～26°N(圖1).由于受到區(qū)域碳通量觀測(cè)數(shù)據(jù)的限制,模式的模擬時(shí)間從2003年1月1日開(kāi)始,至2009年12月31日結(jié)束,每3h輸出一次模擬結(jié)果.CT-2010采用地形追隨坐標(biāo),總共25層,第一層和最頂層高度分別離地面34.5m 和80.0km;采用TM5大氣傳輸模式驅(qū)動(dòng)CT-2010,設(shè)置了兩重網(wǎng)格嵌套區(qū)域,全球空間分辨率為3°×2°,在中國(guó)和珠江三角洲區(qū)域均為1°×1°.

圖1 CT-2010設(shè)置的模擬區(qū)域及地形海拔高度(m)分布Fig.1 Simulation area and its altitude distribution in CT-2010Black boxes are CO2flux sites of PYQXJ, DHS and DG, respectively

2 CT-2010在珠江三角洲區(qū)域的驗(yàn)證

珠江三角洲區(qū)域的植被是一個(gè)主要由草地、城市綠地、農(nóng)田和南亞熱帶森林等組成的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng).其中,番禺氣象局站、東莞站以及鼎湖山站可以較好地反映區(qū)域草地、城市綠地以及南亞熱帶森林的碳通量.本研究利用上述觀測(cè)站的通量資料,對(duì)CT-2010的模擬性能進(jìn)行驗(yàn)證研究.

2.1 觀測(cè)站點(diǎn)及觀測(cè)數(shù)據(jù)介紹

番禺氣象局觀測(cè)站(圖1)位于廣州市番禺區(qū)的開(kāi)闊草地上,可代表珠江三角洲地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)特征[30].站點(diǎn)周圍無(wú)高層建筑和高大山地,地勢(shì)相對(duì)平坦,面積約為300m ×400m;下墊面草地植被的類型比較均勻,高度約30～80cm.觀測(cè)從2004年6月開(kāi)始,至2005年5月結(jié)束.開(kāi)路渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)(Eddy covariance)安裝在距地面3.5m高度.該系統(tǒng)由三維超聲風(fēng)溫儀(CSAT3, Campbell Scientific,Inc.)和開(kāi)路CO2/H2O分析儀(Li-7500, LiCor Inc., USA)組成,采樣頻率為10Hz.觀測(cè)的參數(shù)包括 CO2通量(Fc)、潛熱通量(LE)和顯熱通量(Hs)等.各種通量數(shù)據(jù)分別進(jìn)行了虛溫訂正和空氣密度變化訂正以及質(zhì)量控制[30-31],并轉(zhuǎn)換為30min平均值.

鼎湖山站(圖1)位于廣東省肇慶市東北部的鼎湖山自然保護(hù)區(qū)內(nèi).受南亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候影響,該區(qū)域光照、水熱資源豐富,太陽(yáng)輻射約4665MJ/(m2·a),年均日照時(shí)數(shù)、氣溫分別為1433h和21.0 ,℃年均相對(duì)濕度和降水量分別為80%和1956mm.觀測(cè)站海拔高度240m,坡度10° 度左右,坡向東偏南,周圍森林是目前保存下來(lái)的最為典型,最為完整的南亞熱帶常綠針闊葉混交林生態(tài)系統(tǒng)[35],可代表地帶性植被.

東莞站(圖1)位于東莞市植物園內(nèi)的氣象臺(tái)觀測(cè)場(chǎng)中,亦處于南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)內(nèi),年平均氣溫、日照時(shí)數(shù)和降水量分別為22.7℃ ,1873.7h和1819.9mm.植物園占地面積467hm2,屬低丘地貌,區(qū)內(nèi)植被豐富,是一個(gè)由喬灌草植物構(gòu)成的典型公園綠地生態(tài)系統(tǒng)[36].

鼎湖山站和東莞站的碳通量觀測(cè)時(shí)間分別為2003年5月～2004年4月和2008年10月～2009年11月,觀測(cè)儀器與番禺氣象局站的一致. 其中,東莞站的通量觀測(cè)探頭安裝在20m 高度,而鼎湖山站的探頭高度為27m(第5層平臺(tái)),代表林冠層頂/大氣界面的通量.兩站的數(shù)據(jù)采集器自動(dòng)存儲(chǔ)10Hz的原始數(shù)據(jù),同時(shí)進(jìn)行了訂正處理(如虛溫訂正、空氣密度變化訂正、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等)和嚴(yán)格的質(zhì)量控制[35-36],篩選出符合條件的30min通量數(shù)據(jù)進(jìn)行模式驗(yàn)證.

由于CT-2010模擬結(jié)果的輸出頻率為每3h1次,因此需要將以上站點(diǎn)每30min平均的觀測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為逐時(shí)次值,再進(jìn)一步與模式輸出結(jié)果進(jìn)行匹配.在此基礎(chǔ)上,利用觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模式的反演結(jié)果進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證.

2.2 模式驗(yàn)證

圖2 CO2通量模擬值與觀測(cè)值的1:1比較Fig.2 Comparisons of simulation values and observations

2.2.1 逐時(shí)的驗(yàn)證結(jié)果 由圖2可以看,凈通量的模擬值和觀測(cè)值較一致,3個(gè)站的殘差均值為1.81μmol/(m2·s),均方根誤差在1.59～2.58μmol/ (m2·s)之間,相關(guān)系數(shù)(r)為0.67～0.71,通過(guò)了99%的顯著性檢驗(yàn)(P=0.000),說(shuō)明CT-2010模式具有較強(qiáng)的模擬能力.從回歸方程的擬合參數(shù)來(lái)看,番禺氣象局站的斜率、截距均與東莞站的相當(dāng),但明顯低于鼎湖山站,這可能與鼎湖山站較高的植被指數(shù)有關(guān).總體來(lái)看,3個(gè)觀測(cè)站的方程斜率為0.260～0.431,截距為0.43～1.29,表明模式模擬的凈通量整體偏高.其原因一方面可能是由于觀測(cè)站點(diǎn)所在的生態(tài)系統(tǒng)尺度較小,受局地水汽、氣溫、輻射等因素的影響較大[37],而 CT-2010模式的空間分辨率較低(1° ×1°),反映的是較大范圍通量分布的平均狀態(tài),因此對(duì)較小尺度生態(tài)系統(tǒng)碳通量擾動(dòng)的捕獲能力不足.另一方面,珠江三角洲是我國(guó)乃至世界上最活躍的經(jīng)濟(jì)區(qū)之一.該區(qū)域下墊面河網(wǎng)交錯(cuò),地表植被和土壤類型多樣,溫室氣體來(lái)源復(fù)雜[38].復(fù)雜的地形和海-陸-氣相互作用也給碳通量數(shù)值模擬帶來(lái)很大難度.

圖3 CT-2010反演的碳通量日均值與觀測(cè)結(jié)果比較及其殘差的時(shí)間序列Fig.3 Comparisons of simulation values of daily mean fluxes with observations and the time series of residuals

2.2.2 逐日的驗(yàn)證結(jié)果 由圖3a,圖3c,圖3e可以看出, 模式反演值與觀測(cè)值的一致性較好,在3個(gè)站點(diǎn)的擬合相關(guān)系數(shù)均高于0.60(P<0.001).從模擬值與觀測(cè)值殘差的時(shí)間序列來(lái)看(圖3b,圖3d,圖3f),3個(gè)觀測(cè)站殘差的日均值為1.689 μmol/(m2·s),高于該模式系統(tǒng)在瓦里關(guān)、上甸子等背 景 站 (http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/ carbontracker/co2timeseries.php),以及北美地區(qū)[21]的模擬結(jié)果.其主要原因在于本底站的人為擾動(dòng)很低,碳通量可以反映較大范圍的生態(tài)系統(tǒng)源匯過(guò)程,因此模式的干擾因素少、模擬精度較高.相比而言,珠江三角洲地區(qū)近地層碳排放源非常復(fù)雜,人為擾動(dòng)大,給CO2通量的準(zhǔn)確模擬帶來(lái)很大困難.3個(gè)站的殘差波動(dòng)比較大,這主要與模式空間分辨率較粗有關(guān).此外,觀測(cè)儀器高度和模式底層所反映的近地層碳通量的差異也是導(dǎo)致這種波動(dòng)的重要原因.本研究中,3個(gè)代表站的碳通量探頭高度為3.5～27m,反映了不同植被生態(tài)系統(tǒng)白天光合作用和夜間呼吸排放的通量在氣象條件影響下的情形,而模式的底層高度為35m,其碳通量同時(shí)受到了垂直輸送和近地層區(qū)域傳輸?shù)挠绊?相對(duì)而言,東莞站碳通量的模擬在冬、春季最好,殘差均值分別為0.695和0.830μmol/(m2·s),在夏、秋季相當(dāng),殘差分別為1.063和1.119μmol/ (m2·s);與東莞站相似,番禺氣象局站碳通量的模擬在冬、春季最好,模擬與觀測(cè)的殘差分別為1.517和2.149μmol/(m2·s),在夏、秋季稍差,殘差分別為2.274和2.461μmol/(m2·s).鼎湖山站則相反,為秋、夏季最好,春、冬季較差,殘差均值分別為1.206,1.712,2.395和2.910μmol/(m2·s).

2.2.3 通量季節(jié)分布 由圖4可以看出,CT-2010模式系統(tǒng)一定程度上能反映3種生態(tài)系統(tǒng)碳通量的季節(jié)分布特征,其中以草地生態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)系數(shù)最高(r=0.94,P<0.01),城市綠地生態(tài)系統(tǒng)次之(r=0.78,P<0.01),地帶性植被較差(r=0.50, P>0.05).從觀測(cè)結(jié)果來(lái)看,3種生態(tài)系統(tǒng)均表現(xiàn)出較強(qiáng)的碳匯,凈碳通量在7～10月份最低,這與夏秋季植被較強(qiáng)的光合能力有關(guān)[37];從模擬結(jié)果來(lái)看,鼎湖山站、番禺氣象局站均在12月～次年4月表現(xiàn)為碳源區(qū),5～11月為碳匯區(qū),同時(shí)兩站模擬值與觀測(cè)值的差異相當(dāng),殘差年均值分別為2.056和2.100μmol/(m2·s).相對(duì)而言,CT-2010對(duì)東莞站的模擬值與觀測(cè)值最接近,殘差年均值為0.964μmol/(m2·s),但各月的模擬值均表現(xiàn)為碳源,異于觀測(cè)結(jié)果.

2.2.4 通量日變化 從圖5可以看出,3個(gè)站中碳通量日變化的反演值與觀測(cè)值均在20:00至次日06:00基本穩(wěn)定,且處于一天中的高值區(qū),這主要與夜間植物生態(tài)系統(tǒng)停止了光合作用、大氣混合層的穩(wěn)定度加強(qiáng)、湍流擴(kuò)散的CO2減弱有關(guān).日出后植物光合作用固定了大量 CO2,同時(shí)空氣對(duì)流增強(qiáng)(圖5b,d,f),使得大氣中 CO2下降,在正午前后達(dá)到最低值[39].總體而言,在3個(gè)觀測(cè)站中,CT-2010反演的碳通量日變化比觀測(cè)值平均高估了1.84μmol/(m2·s),其中在夜間的模擬效果較好,兩者僅相差-0.66μmol/(m2·s),白天的效果較差,殘差為4.33μmol/(m2·s),在14:00殘差高達(dá)7.65μmol/(m2·s).從風(fēng)場(chǎng)的日變化來(lái)看,正午前后植物的光合作用在一天中最強(qiáng)、空氣對(duì)流劇烈,同時(shí)局地風(fēng)向出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)變(圖5b,d,f),這可能是CT-2010未能有效捕獲生態(tài)系統(tǒng)碳通量,導(dǎo)致模擬的碳通量出現(xiàn)系統(tǒng)性偏高的重要原因.風(fēng)場(chǎng)是影響區(qū)域 CO2輸送的主要因素之一[40],對(duì)其準(zhǔn)確模擬能顯著提高溫室氣體的評(píng)估能力.國(guó)外相關(guān)研究也表明,由于對(duì)風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)向、風(fēng)速)評(píng)估不足,WRFVPRM、TM3和LMDZ等模式模擬的CO2濃度日變化均出現(xiàn)了較大的偏差[41].

圖4 CT-2010反演的碳通量與觀測(cè)值的季節(jié)變化Fig.4 Seasonal variations of simulation fluxes of CT-2010and observations

圖5 CT-2010反演的碳通量日變化與觀測(cè)值比較,以及風(fēng)場(chǎng)的日變化Fig.5 Comparisons of simulation values of diurnal fluxes with observations and wind field distributions

綜上所述:CT-2010模擬的珠江三角洲城市綠地、地帶性植被、以及草地生態(tài)系統(tǒng)碳通量與地面觀測(cè)結(jié)果具有較好的一致性,其擬合相關(guān)系數(shù)(r)整體高于0.6(P<0.01),小時(shí)、逐日、逐月以及日變化的殘差均低于2.0μmol/(m2·s),可以捕捉到通量的季節(jié)波動(dòng)特征.Peters等[21]的結(jié)果也表明:CT-2010模式具備了反映陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量分布和變化的能力.然而,由于模式的網(wǎng)格分辨率較粗,再加上觀測(cè)儀器高度和模式底層所反映的近地層碳通量的差異,限制了模式系統(tǒng)對(duì)較小尺度生態(tài)系統(tǒng)的模擬性能.此外,在正午期間,由于近地層的風(fēng)場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)劇烈變化,導(dǎo)致CT-2010捕獲生態(tài)系統(tǒng)碳通量的能力下降,是模擬結(jié)果出現(xiàn)系統(tǒng)性偏高的重要原因.

3 珠江三角洲區(qū)域CO2通量的時(shí)空分布特征

3.1 CO2凈通量季節(jié)變化特征

衛(wèi)星反演結(jié)果顯示,中國(guó)區(qū)域?qū)α鲗又袑覥O2分布總體呈北高南低的分布特征,高值區(qū)集中在35°～45°N,在20°～30°N為CO2低值區(qū),然而衛(wèi)星監(jiān)測(cè)并不能夠很好地揭示人類或者自然CO2源排放的特征[42].相對(duì)而言,利用模式手段能及時(shí)捕捉近地層源排放及其輸送的動(dòng)態(tài)變化.由圖6可以看出,2004～2005年期間珠江三角洲近地層凈碳通量為3.43μmol/(m2·s),其中冬季(12月～來(lái)年2月)最強(qiáng),為1.4μmol/(m2·s),春季(3～5月)次之,為1.35μmol/(m2·s),秋季(9～11月)和夏季(6～8月)最低,分別為0.51 和0.18μmol/(m2·s).整個(gè)區(qū)域在冬、春兩季均為強(qiáng)的碳源區(qū),但在夏、秋季,粵北和粵東大部分地區(qū)為較弱的碳匯區(qū).深圳、東莞、廣州、佛山以及中山等珠江口外圍區(qū)域在四季中均為CO2通量高值中心,此外,潮州、汕頭、揭陽(yáng)等粵東區(qū)域也存在另一個(gè)凈通量高值區(qū).

圖6 珠江三角洲地區(qū)CO2通量[μmol/(m2·s)]及風(fēng)場(chǎng)(NCEP1.0×1.0資料,975hPa)的季節(jié)分布特征Fig.6 Seasonal distributions of CO2fluxes[μmol/(m2·s)] and wind fields (NCEP1.0×1.0data,975hPa) over PRD

珠江三角洲屬南亞熱帶海洋季風(fēng)氣候區(qū).該區(qū)域日照充足、溫濕多雨,植被四季常青,植物的光合作用活躍.獨(dú)特的氣候特點(diǎn)顯著影響通量的季節(jié)變化.冬季的氣溫最低,植物的生理活性弱直接影響了大氣CO2吸收,同時(shí)冬季近地層(975hPa)盛行東北風(fēng),風(fēng)速較強(qiáng),有利于內(nèi)陸CO2向低緯度地區(qū)輸送,成為 CO2通量最高的季節(jié).春季,植物和土壤的呼吸作用強(qiáng)烈而植物光合作用相對(duì)較弱,同時(shí)近地層盛行偏南風(fēng),海洋清潔氣團(tuán)促進(jìn)了高污染地區(qū)CO2向高緯度地區(qū)輸送,因此通量相對(duì)較低.夏季的植物枝葉茂密,光照充足,氣溫高,降水充沛,植物光合作用強(qiáng)烈,可快速固定大氣中的CO2[43],再加上夏季盛行東南風(fēng),空氣水平輸送和垂直交換劇烈,有利于近地層CO2向高緯和對(duì)流層中高層擴(kuò)散,因而夏季近地層凈通量在全年最低.此外,粵北及廣西、湖南、江西等鄰省交界區(qū)域?yàn)檩^強(qiáng)碳匯區(qū),說(shuō)明這些區(qū)域的植被對(duì)大氣CO2的吸收量遠(yuǎn)高于人類活動(dòng)排碳量.秋季,植被進(jìn)入成熟衰弱期,光合碳匯弱于夏季,但仍然表現(xiàn)出較強(qiáng)的碳吸收能力,在肇慶西北部、河源以及廣西、江西等鄰省交界區(qū)域出現(xiàn)較強(qiáng)的碳匯區(qū).此外,整個(gè)珠江三角洲區(qū)域的凈通量呈現(xiàn)出由東北向西南分布的趨勢(shì),這可能是近地層風(fēng)場(chǎng)輸送造成的.

3.2 珠江三角洲區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯估算

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量主要包括植物光合、呼吸作用通量,以及土壤呼吸排放的CO2總量.CO2的肥效作用、土地利用和植被覆蓋的變化、氮沉降、森林大火及區(qū)域水汽循環(huán)等均能影響植物生態(tài)系統(tǒng)的碳源匯[44].研究顯示[21],在2001～2005年期間,北美陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量為-0.65PgC/a,化石燃料燃燒通量為 1.85PgC/a,凈通量為1.20PgC/a,模擬的誤差在-0.4～1.0PgC/a之間.本研究發(fā)現(xiàn),2004～2005年期間珠江三角洲區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量為-6.5×10-3PgC(圖7),與匡耀求等[38]利用清單調(diào)查方法得到的結(jié)果相當(dāng).其中,5～10月份的碳通量平均值為-3.55×10-3PgC,特別是在8月份,生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收能力最強(qiáng),凈通量為-5.89×10-3PgC,這與我國(guó)瓦里關(guān)、上甸子、臨安、龍鳳山等本底站[45],以及北京地區(qū)CO2濃度的變化趨勢(shì)一致[46];11月～次年4月的通量平均值為2.50×10-3PgC,其中在3月份最高,為3.55×10-3PgC,表明珠江三角洲區(qū)域植被在冬、春季的呼吸作用強(qiáng)于光合作用,因此排放了大量的CO2.盡管如此,在一年中植被仍能保持較高的碳吸收能力,有利于植物光合產(chǎn)物積累和生長(zhǎng)發(fā)育.

前人研究顯示[6],1981～2000年間,中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯為0.096～0.106PgC/a,相當(dāng)于同期中國(guó)工業(yè)碳排碳量的14.6%～16.1%.也有研究認(rèn)為,2002～2008年期間,中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)匯為-0.28PgC/a,相當(dāng)于抵消了同時(shí)期化石燃料燃燒排碳量的17.07%[24].本研究表明(表1),2004～2005年珠江三角洲地區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯相當(dāng)于抵消了同時(shí)期化石燃料燃燒排碳量的9.76%,明顯低于中國(guó)地區(qū)的計(jì)算結(jié)果,可能與珠江三角洲地區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)較低的碳匯[22],同時(shí)較高的工業(yè)生產(chǎn)排碳量有關(guān).由表1可見(jiàn),不同文獻(xiàn)之間計(jì)算得到的中國(guó)區(qū)域植物生態(tài)系統(tǒng)碳匯值差異很大,但是總體表現(xiàn)出森林最高,農(nóng)作物次之,草地最低的分布特征.本研究中,農(nóng)作物是珠江三角洲地區(qū)最大的碳匯生態(tài)系統(tǒng)(-2.7×10-3PgC/a),而草地/灌木次之,森林最小.3種生態(tài)系統(tǒng)的碳匯占陸地生態(tài)系統(tǒng)的比率分別為42.01%,31.46%和26.53%.農(nóng)作物較高的碳匯可能與農(nóng)田管理方式(包括翻土、施肥、灌溉以及除草等)有關(guān)[47].此外,我國(guó)南方的大部分作物都會(huì)種植兩季或者三季,顯著提高了作物的光合固碳量[18].總體而言,本研究可能高估了農(nóng)作物的碳匯,原因是 CT模式主要關(guān)注作物生長(zhǎng)季所吸收的 CO2,而未考慮非生長(zhǎng)季作物呼吸消耗的排碳量[1,21].

圖7 2004～2005年珠江三角洲地區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)凈通量估算Fig.7 Estimations of terrestrial fluxes in2004～2005over PRD

近年來(lái),由于我國(guó)加強(qiáng)了森林保護(hù)以及退耕、退牧還林、植樹(shù)造林等工程,森林覆蓋面積逐年增長(zhǎng)[48],其碳匯約為-0.075～-0.120PgC/ a[22,24,49].珠江三角洲地區(qū)溫濕多雨的南亞熱帶氣候條件以及較高的太陽(yáng)輻射量非常適合植物生長(zhǎng)發(fā)育和光合作用.區(qū)域常綠針闊葉混交林生態(tài)系統(tǒng)即使在相對(duì)緩慢生長(zhǎng)季節(jié)(冬季)仍然具有較強(qiáng)的碳匯功能[35].然而,近年來(lái)由于經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展所引起的土地利用方式以及森林結(jié)構(gòu)的改變,導(dǎo)致森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力呈下降趨勢(shì)[38],在2004～2005年期間的碳匯約為-1.7×10-3PgC.

到目前為止,有關(guān)灌木生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的觀測(cè)資料非常缺乏[50].近年來(lái),由于氣溫上升以及干旱、放牧等的影響,我國(guó)草地生態(tài)系統(tǒng)的生物量呈下降趨勢(shì)[51-52].在珠江三角洲地區(qū),2005～2008年期間區(qū)域灌木/草地生態(tài)系統(tǒng)(包括園地、草地、城市綠地等)的碳匯整體上升[38],其中在2004～2005年期間的凈通量為-2.0×10-3PgC.這可能與農(nóng)村地區(qū)灶爐改造、城鎮(zhèn)化減少了柴薪采集[18],以及城市園地面積增加有關(guān).

表1 本研究的生態(tài)系統(tǒng)碳匯和前人研究的比較(PgC/a)Table1 Comparison of the estimated carbon sinks in this study with previous studies(PgC/a)

4 結(jié)論

4.1 CT-2010模式模擬的珠江三角洲城市綠地、地帶性植被、以及草地生態(tài)系統(tǒng)碳通量與地面觀測(cè)結(jié)果具有較好的一致性,其擬合相關(guān)系數(shù)(r)整體高于0.6(P<0.01),小時(shí)、逐日以及日變化的殘差均值均低于2.0μmol/(m2·s).

4.2 模式系統(tǒng)一定程度上能捕捉到3種生態(tài)系統(tǒng)碳通量的季節(jié)分布特征,但各月的模擬值均高于觀測(cè)值,其中對(duì)城市綠地生態(tài)系統(tǒng)的模擬最接近,殘差年均值為0.964μmol/(m2·s),對(duì)草地和地帶性植被森林生態(tài)系統(tǒng)的模擬效果相當(dāng),殘差年均值分別為2.056,2.100μmol/(m2·s)

4.3 2004～2005年期間珠江三角洲地區(qū)近地層凈碳通量為3.43μmol/(m2·s),其中冬季最強(qiáng),為1.4μmol/(m2·s),春季次之,為1.35μmol/(m2·s),秋季和夏季最低,分別為0.51和0.18μmol/(m2·s);冬、春兩季均為強(qiáng)的碳源區(qū),而夏季、秋季的粵北和粵東大部分地區(qū)為較弱碳匯區(qū).

4.4 2004～2005年期間珠江三角洲地區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯為-6.5×10-3PgC,其中農(nóng)作物,草地/灌木,常綠針葉/闊葉混合林是吸收CO2的主要生態(tài)系統(tǒng),其凈通量占陸地生態(tài)系統(tǒng)的比率分別為42.01%,31.46%和26.53%.

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致謝：感謝美國(guó)國(guó)家大氣海洋局(NOAA)NOAA/ESRL/GMD提供的 CarbonTracker-2010 模式(http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/ carbontracker/);感謝荷蘭海洋和大氣研究所(IMAU)、荷蘭皇家氣象研究所(KNMI)提供的 TM5模式;感謝各個(gè)全球背景站/區(qū)域站及高塔站的工作人員參與觀測(cè).

李克強(qiáng)向生態(tài)文明貴陽(yáng)國(guó)際論壇2014年年會(huì)致賀信

生態(tài)文明貴陽(yáng)國(guó)際論壇2014年年會(huì)7月11日在貴陽(yáng)開(kāi)幕.國(guó)務(wù)院總理李克強(qiáng)向論壇發(fā)來(lái)賀信.

李克強(qiáng)代表中國(guó)政府對(duì)年會(huì)召開(kāi)表示祝賀.他表示,生態(tài)文明源于對(duì)發(fā)展的反思,也是對(duì)發(fā)展的提升,事關(guān)當(dāng)代人的民生福祉和后代人的發(fā)展空間.中國(guó)把生態(tài)文明建設(shè)放在國(guó)家現(xiàn)代化建設(shè)更加突出的位置,堅(jiān)持在發(fā)展中保護(hù)、在保護(hù)中發(fā)展,健全生態(tài)文明體制機(jī)制,下大力氣防治空氣霧霾和水、土壤污染,推進(jìn)能源資源生產(chǎn)和消費(fèi)方式變革,繼續(xù)實(shí)施重大生態(tài)工程,把良好生態(tài)環(huán)境作為公共產(chǎn)品向全民提供,努力建設(shè)一個(gè)生態(tài)文明的現(xiàn)代化中國(guó).

李克強(qiáng)強(qiáng)調(diào),人類只有一個(gè)地球.保護(hù)生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)綠色發(fā)展是各國(guó)利益的匯合點(diǎn).中國(guó)把生態(tài)環(huán)保作為對(duì)外開(kāi)放的重要領(lǐng)域,將繼續(xù)加強(qiáng)同世界各國(guó)、國(guó)際組織的環(huán)境合作,深入推進(jìn)國(guó)際環(huán)境公約的履約,攜手應(yīng)對(duì)氣候變化,共同推動(dòng)人類環(huán)境與發(fā)展事業(yè).

李克強(qiáng)表示,本次論壇年會(huì)以“改革驅(qū)動(dòng),全球攜手,走向生態(tài)文明新時(shí)代”為主題,體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)改革推動(dòng)結(jié)構(gòu)調(diào)整,體現(xiàn)了各方面對(duì)生態(tài)文明建設(shè)的共同責(zé)任.相信年會(huì)將凝聚新的共識(shí),為全球可持續(xù)發(fā)展作出新的探索.

摘自《中國(guó)環(huán)境報(bào)》

2014-07-14

Simulation analysis and verification of surface CO2flux over Pearl River Delta, China.

MAI Bo-Ru1, AN Xing-Qin2, DENG Xue-Jiao1*, ZHOU Ling-Xi2, WANG Chun-Lin3, LI Fei1, HUANG Jian-Ping4, CHEN Ling5, YIN Shu-Xian5
(1.Institute of Tropical and Marine Meteorology/Guangdong Provincial Key Laboratory of Regional Numerical Weather Prediction, China Meteorological Administration, Guangzhou510080, China；2.Key Laboratory for Atmospheric Chemistry of China Meteorological Administration, Research Institute of Atmospheric Composition of Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing100081, China；3.Climate Center of Guangdong Province, Guangzhou510080, China;4.Yale-NUIST Center on Atmospheric Environment, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing210044, China；5.Dongguan Meteorology Bureau, Dongguan,523086, China). China Environmental Science,2014,34(8)：1960～1971

Carbon dioxide is the primary greenhouse gas involved in climate change. This gas is responsible for85% of the increase in radiative forcing over the past decade and81% over the last five years. Accurate estimations of strength and spatiotemporal distributions of surface sources and sinks of CO2are thus of great interest to the scientific community and policy makers. The CO2measurement and modeling system developed by the National Oceanic and Atmospheric Administration and called the Carbon Tracker-2010 (CT-2010) was used to analyze the seasonal and spatial distributions of net CO2flux and CO2sink characteristics of terrestrial ecosystems in the Pearl River Delta (PRD) region. Prior to doing simulations, the CT-2010 model was validated using in situ observations from the Panyu meteorological site (PYQXJ), the Dongguan site (DG), and the Ding Hushan site (DHS), which are representative of grassland, urban green space, and forest ecosystems in the PRD region, respectively. Net fluxes from the CT-2010model compared with observations fromthe three sites well. Hourly, daily, and diurnal residuals were less than2.0 μmol/(m2·s) and correlation coefficients were greater than0.60 (P<0.01). The CT-2010 model captured well the seasonal patterns of CO2fluxes over the PRD region. However, the magnitude of the simulated fluxes was generally greater than that of the observed fluxes. Annual residuals were2.056,0.964, and2.100μmol/(m2·s) at the PYQXJ, DG, and DHS sites, respectively. From June2004to May2005, the mean surface net flux over the PRD region was3.43μmol/(m2·s). In summer, fall, winter, and spring, mean surface net fluxes were0.18,0.51,1.4, and1.35 μmol/(m2·s), respectively. The mean terrestrial flux in the PRD was -6.5×10-3PgC. The region during this time was dominated by crops (42.01%), grassland/shrubs (31.46%), and mixed (coniferous/broadleaf) forest (26.53%).

t：Carbon Tracker-2010；Pearl River Delta；surface CO2flux；terrestrial ecosystems

X511

：A

：1000-6923(2014)08-1960-12

麥博儒(1982-),男,海南儋州人,博士,主要從事區(qū)域溫室氣體的觀測(cè)與模式評(píng)估.發(fā)表論文7篇.

2014-02-17

資金項(xiàng)目：廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(S2012040007057,S2011010004771);國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2010CB950601);中國(guó)氣象局氣候變化基礎(chǔ)能力建設(shè)項(xiàng)目(CCSF201306;CCSF201405);廣東省氣象局科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(2012B10,2011B02);廣東科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012A061400012;2011A032100006)

* 責(zé)任作者, 研究員, xjd@grmc.gov.cn