Distribución vertical de CO 2 en la capa límite atmosférica: características e impacto de las variables meteorológicas

Distribución vertical de CO 2 en la capa límite atmosférica: características e impacto de las variables meteorológicas

El conocimiento de la distribución vertical de CO 2 es importante para el desarrollo de modelos de transporte de CO 2 y la calibración / validación de mediciones transmitidas por satélite. En este estudio, los perfiles verticales de concentración de CO 2 dentro de 0–1000 m se midieron usando un globo atado en un sitio suburbano en Xiamen, que está experimentando una rápida urbanización. Las características de la distribución vertical de CO 2 se investigaron en condiciones estables y convectivas de capa límite. La correlación de las concentraciones de CO 2 a nivel del suelo y aquellas a grandes altitudes disminuyeron con la altitud y mostraron una correlación significativa en los primeros 300 m con R  = 0.78 a 100 m, R  = 0.52 a 200 m,R  = 0.40 a 300 m ( P  <0.01). La correlación mantiene casi constante para 300-800 m, y no hay una correlación obvia a 800 m, lo que indica que el impacto de nivel del suelo CO 2 fue restringido en la 300 m por encima del suelo. Al comparar los perfiles verticales obtenidos en diferentes momentos durante un período de 24 h, se encontró que la concentración de CO 2 mostraba un patrón diurno más obvio a nivel de la superficie que a una gran altitud debido a la variación de las fuentes y los sumideros de CO 2 a nivel del suelo. La mayoría de los perfiles demostraron tendencias decrecientes de concentración de CO 2 al aumentar la altitud. Los perfiles verticales de CO 2 se ajustaron para obtener una ecuación empírica para estimar el CO2 concentración vertical en la atmósfera inferior (0–1000 m): y  = −75.04 + 1.17 × 10 9 e - x /28.01 , R 2  = 0.59 ( P  <0.05). Sin embargo, en algunos casos se observaron patrones opuestos en que los perfiles de concentración de CO 2 mostraron un punto de inflexión a una cierta altitud o poca variación con la altitud en ciertas condiciones meteorológicas. La profundidad de la capa límite atmosférica y la estabilidad atmosférica son dos factores principales que controlan la estructura vertical de CO 2 de perfil. Los resultados mejorarían nuestra comprensión de la variación espacial y temporal del CO 2.en el entorno urbano, lo que facilitaría el uso del modelo de transporte 3-D para estudiar los impactos del CO 2 en el entorno urbano.

 Introducción

El CO 2 concentración en bajo atmósfera está fuertemente afectada por la fotosíntesis, la respiración, la oxidación de la materia orgánica, la quema de biomasa, la quema de combustibles fósiles y el intercambio de aire-mar ( Machida et al., 2003 ). A diferencia de otros contaminantes del aire como el ozono, el dióxido de nitrógeno, las partículas y los compuestos orgánicos volátiles que participan en los procesos fisicoquímicos de la atmósfera ( Greenberg et al., 1999 , Greenberg et al., 2009 , Ferrero et al., 2011 , Sangiorgi et al. al., 2011 , Johnsona et al., 2008 ), la producción y reducción de CO 2 se produce principalmente en el suelo (p. ej., quema de sustancias carbonosas y respiración de biosfera para el CO).2 producciones; la captación fotosintética para la reducción de CO 2 ) y son bastante pequeñas en la atmósfera ( Machida et al., 2003 ), donde es probable que la variación de CO 2 sea ​​el resultado de la dispersión y el transporte controlados por factores meteorológicos ( Bischof et al., 1980 ). En la troposfera libre, el CO 2 se ha utilizado como gas trazador para estudiar el transporte vertical de los contaminantes del aire ( Boering et al., 1996 , Hintsa et al., 1998 ).

La mayoría de las observaciones de CO 2 se realizaron en la superficie ( Pérez et al., 2012 , Rice y Bostrom, 2011 , Ángeles García et al., 2011 , Massen y Beck, 2011 ), pero se han realizado mediciones limitadas de CO 2. en la troposfera libre y la estratosfera ( Bischof et al., 1980 , Bischof et al., 1985 , Font et al., 2010 , Haszpra et al., 2012 ). Hay pocos datos disponibles sobre la distribución vertical de CO 2 en la capa límite en la atmósfera urbana. Información sobre la distribución vertical del CO 2.es importante porque (1) se requiere para desarrollar modelos de transporte de CO 2 tridimensionales para estimar con precisión los flujos de CO 2 de la superficie e inferir la magnitud y distribución de las fuentes y los sumideros de la superficie ( Yang et al., 2007 , Engelen et al., 2009 , Feng et al., 2011 ); (2) se puede usar para calibrar / validar mediciones transmitidas por satélite con instrumentos de detección remota basados ​​en tierra ( Engelen y McNally, 2005 , Wunch et al., 2010 , Pickett-Heaps et al., 2011 ). Además, los perfiles verticales también proporcionan los datos necesarios para calcular un CO 2Flujo en la escala regional, utilizando un método simple de presupuesto de capa límite (BLB) ( Werner y Franziska, 2000 ). Las mediciones han sido realizadas por aviones, globos estratosféricos, lidars, globos atados y altas torres. La mayor parte de las mediciones de altitud se realizaron utilizando una plataforma de muestreo montada en aviones y / o globos estratosféricos, que recolecta muestras de hasta 13 km (en avión) y 35 km (en globos estratosféricos) ( Bischof et al., 1980 , Bischof et al ., 1985 , Machida et al., 2003 , Gurk et al., 2008 , Shashkov et al., 2007 , Haszpra et al., 2012). Pero la resolución vertical de estas medidas fue menor que las realizadas con globos lidar o atados. Las mediciones cuantitativas preliminares y el análisis del perfil de CO 2 troposférico se llevaron a cabo mediante un prototipo Raman lidar, que puede recuperar CO 2 a una altitud de hasta 2,5 km ( Hong et al., 2006 , Hu et al., 2009 , Zhao et al. , 2008 ). La altura máxima de muestreo alcanzable es menor con una torre ( Bakwin et al., 1995 , Vermeulen et al., 2011 , Haszpra et al., 2012 ) o globos atados (hasta aproximadamente 1000 m) ( Werner y Franziska, 2000 , Acevedo et al., 2008). En comparación con otros métodos, los globos atados se pueden usar para recolectar la concentración de CO 2 a largo plazo con resoluciones temporales y espaciales más altas ya un bajo costo. Tales datos son útiles para estudiar las características de distribución vertical para una mejor comprensión de las causas de las tendencias de variación de CO 2 en la troposfera inferior donde la mayoría atmosférica de CO 2 se encuentra.

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