墨西哥城城市景观的CO2通量的测量外文翻译资料

 2022-12-24 17:01:34

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墨西哥城城市景观的CO2通量的测量

Erik Velasco, Shelley Pressley, Eugene Allwine, Hal Westberg, Brian Lamb

摘要：

在墨西哥城人口稠密的一个地区中的一座高大的城市塔楼部署了一个涡度协方差（EC）通量系统，以便直接测量亚热带大城市的CO2排放量。测量的通量和边界层条件满足EC对平稳度的假设，湍流测量的共频谱分析显示了可接受的通量测量所需的边界层模式。2003年4月进行的实地试验结果表明，城市地表是CO2的净来源。CO2测量结果显示出了明显的昼夜模式，早晨排放最高（高达1.60 mg m-2s-1），夜间排放最低。测量所得的通量与该地区的交通模式密切相关。平均日通量为0.41 mg m-2s-1，与欧美城市相似。

关键词：CO2通量；涡度协方差；墨西哥；大城市

  1. 介绍

城市景观被认为是人为CO2的主要来源，然而，城市地区的CO2排放量几乎没有直接测量。微气象技术最近才应用于城市景观，而它们已被广泛用于测量CO2，水蒸汽，挥发性有机化合物（VOC）和植被以上的其他痕量气体的流失（Baldocchi et al., 2001; Schmid et al., 2000; Westberg et al., 2001）。最近的城市研究集中在发达国家在中纬度的城市，比如爱丁堡（Nemitz et al., 2002），芝加哥（Grimmond et al., 2002），哥本哈根（Soegaard and Moslash;ller-Jensen, 2003），巴塞尔（Vogt et al., 2003），东京（Moriwaki and Kanda, 2004），温哥华（Walsh et al., 2004）和马赛（Grimmond et al., 2004）。尽管世界30亿城市居民中有四分之三居住在发展中国家，但发展中国家城市地区的测量数据甚少。墨西哥城是较不发达国家的市区的一个很好的例子。它是世界第二大城市，其特点是人口迅速增长，直接和间接的CO2来源广泛，如移动排放和城市化带来的土地利用变化。

城市环境中的CO2水平通常通过从化石燃料消耗量的估算，对城市植被固碳的评估以及对周围CO2浓度的短期研究这些排放清单来进行量化（见 Grimmond et al., 2002）。对墨西哥城而言，仅有两项研究的结果已经报道。第一个是1981年和1982年的一项研究，其中在城市的不同地方对CO2进行了抽样，并通过气相色谱分析（Baez et al., 1988）。在第二项研究中，CO2浓度是在2001年秋季在城市西南部通过傅里叶变换红外光谱仪测量的（Grutter, 2003）。

作为在墨西哥城进行的大型空气质量活动的一部分（MCMA-2003），我们在城市人口密集区域内的一个高大的城市塔楼部署了一个涡度协方差（EC）通量系统，以便在典型的墨西哥邻里获得CO2排放的直接测量。在本文中，我们展示了EC技术对异质城市景观的适用性，其中表面覆盖和粗糙度的空间变异性很大。CO2排放量的大小与风向和车辆活动有关，由此来分析，得出结论。

  1. 方法

2.1测量位置和研究期间

墨西哥城的特点是社会差异很大，其中约10％的人口居住在高档社区，20％在普通社区，70％在贫困社区。总体来说，贫困社区是由原始建筑物周围缺乏规划建造的住宅区和遍布整个城市的工厂和服务场所所组成的。在Iztapalapa，一个位于墨西哥城东南部的贫困社区（19°21′29Prime;N，99°04′24Prime;W）进行了通量测量。Iztapalapa是墨西哥城人口最多（180万居民），密度最高（12,000居民每平方公里）（INEGI, 2000）的郊区。墨西哥城位于海拔2240米的山区包围的亚热带地区，全年城市天气温和，气温超过20℃，太阳辐射强烈。

在2003年温暖干燥的4月（4月7日-4月29日），进行了为期23天的CO2通量的测量。4月是当年第二个最暖的月份，月平均降雨量低于25毫米。研究期间包括圣周（4月14日-20日），因为许多城市居民外出度假，交通量明显减少。通过在此之前，期间和之后进行的测量，我们预计将更好地了解车辆排放对CO2排放量的影响。

EC通量系统部署在CENICA超级站点。该站点周围的地形都是平地。东南方向2.4公里处，有高度为160米的小山丘。这座山环抱了整个国家公园“Cerro de la Estrella”（见图8）。包括这个公园的植被，Iztapalapa的总植被覆盖率占总面积的16％，然而，只有27％的植被覆盖对应于林地，其余73％对应于草原和灌木（SMA-GDF, 2004）。这意味着该地区的生物量很少，植被吸收CO2的可能性很小。相比之下，CO2源的数量很大，由商业，工业，住宅和移动资源组成。主要土地的利用范围是一个30-280°的扇形区域，由三四层楼高的住宅和商业区组成，并且有一条和两条车道的道路，密度大约为16公里每平方公里。一般来说，在白天的时候，这个区域处于主导地位。晚上，观察各方向的风，但北风和西北风的区域占主导地位。这个区域主要由轻工业、仓库和自治城市大学组成。在这一段，道路数量较少，平均密度为7 公里每平方公里。总之，这个区域的平均建筑高度（ZH）为12米。这里大多数建筑是由混凝土制成的，屋顶由混凝土或者钣金制成。

2.2仪器

EC系统安装在建筑屋顶上的一个25米高的塔楼上，塔楼总高度为37米，是周围建筑物高度的3倍以上，安装的高度保证在恒定的通量层。为了在通量测量塔上安装，一个三维（3-D）声波风速计（Applied Technologies, Inc., model SATI-3K）和一个NOAA开放式红外气体分析仪（IRGA）被安装在塔顶尾部3米处。起重臂的长度足以使来自塔架的流动变形的影响最小化，并且传感器被布置为尽可能地按照空气动力学的原理。信号/电力电缆从传感器运行到屋顶的保护区，通过专门为此项实验设计的LabVIEW（National Instruments）软件运行pc数据采集系统。在运行中，通量系统以10Hz收集数据，并使用湍流数据计算30分钟的平均通量。

NOAA IRGA是用于快速响应H2O和CO2通量测量的仪器，由国家海洋局和大气管理局（NOAA）和大气湍流和扩散部门（ATDD）开发。H2O和CO2的噪声水平分别小于0.1 g m-3和0.3 mg m-3，这些水平远低于墨西哥城观测到的气候变化，基于30分钟的H2O和CO2混合比的标准偏差分别大于2.4g m-3和70mg m-3。Auble and Meyers （1992）对这个仪器做了详细的描述。虽然开路仪器不需要频繁的校准，但是我们依然每周进行两次CO2校准，因为在受污染的城市环境中，镜子和窗户很快会变脏。CO2校准使用两种标准气体混合物（Scott-Marrin Inc.327 and 402ppmplusmn;1%,National Institute of Standards and Technology（NIST））。我们将水蒸汽响应与塔上的湿度传感器（Vaisala, model HMP45A）进行比较，作为水蒸汽仪器校准的基础。

图1.气象观测塔，声波风速计的方位角方向为北部16°，尺寸以米计。

2.3涡度协方差通量计算的后处理

痕量气体（Fx）的通量根据EC技术计算方式为垂直风速（w′）的瞬时偏差与痕量气体浓度（cx′）与其30分钟的瞬时偏差之间的协方差。下面给出等式，其中拔表示时间平均值：

EC的基本方面已在其他地方广泛讨论（e.g. McMillen, 1988; Aubinet et al., 2000）。 简单地说，后期处理包括以下步骤：

  1. 将原始数据信号转换到科学仪器，应用IRGA校准系数，删除异常值并识别数据间隙。 异常值可能由随机电子尖峰或声音换能器阻塞（例如在降水期间）引起。 由于日常维护或校准的系统故障，气象条件不足或系统故障不全，可能会发生数据间隙。 我们发现每期18,000次读数之间有1到5个异常值。 如果没有成功获得83％的读数，则该期间被剔除。
  2. 识别并删除与该期间相当大的短时间偏离的异常峰值。 我们遵循Schmid et al. （2000）提出的算法。 这些峰值发生率为每期约37次。
  3. 对3-D速度分量执行坐标旋转。 目的是消除由于传感器或塔架结构而导致的传感器倾斜相对于地形表面或空气动力学影响的误差（Aubinet et al., 2000）。
  4. 计算每个变量的平均值和标准偏差。
  5. 从每个信号中删除平均值以获得波动（素数）。
  6. 对所有处理的变量应用低通滤波器，以消除30分钟时间序列中可能出现的趋势。 我们使用递归数字滤波器（Kaimal and Finnigan, 1994）。
  7. 计算30分钟平均的垂直通量动量，显热，潜热，和CO2。
  8. 考虑密度波动的影响，使用Webb纠正（Webb et al., 1980）将其应用于水蒸气和CO2的纠正。
  9. 进行质量控制的第二阶段。所有测量或派生的变量（30分钟平均值）都被用来进行合理性测试，如果它们在每个变量（例如风速不超过25m s-1）的范围之外，则被剔除。

通量测量的质量很难评估，因为存在各种错误来源，从不能满足一些理论假设到技术设置上的错误。根据EC技术的假设，估计在某些气象条件和场地条件下通量的出现。由于这些影响不能仅仅从EC数据量化，所以经典的误差分析和误差传播将仍然不完整。作为替代，Aubinet et al. （2000）提出了一种经验方法来确定通量是否符合某些合理性标准。除了原始瞬时测量的统计特征外，我们通过测量变量的光谱和协谱还有涡流过程的平稳性调查了EC系统的频率分辨率。

图2.（a）CO2浓度和环境温度的功率密度谱，用于比较归一化。 -5/3斜率表示惯性子范围内的理论斜率。（b）垂直速度与环境温度和CO2浓度的协谱，对比进行归一化。 X表示光谱的平均CO2浓度和环境温度，以及具有协谱垂直风速的那些标量的协方差。总体而言，CO2和环境温度光谱和协谱的形状和细节在测量的整个频率范围内紧密相关。 数据对应于4月7日15:30的30分钟采样周期。

2.4光谱和协谱的分析

EC系统由于仪器物理尺寸的限制，分离距离，其固有的时间响应和去除或平均去除相关的任何信号处理，只能够在足够的高频和低频下衰减真实的湍流信号（Massman and Lee, 2002）。对测量变量的光谱和协谱的检查有助于变换方法。通过相应的平均标量或协方差对每个光谱和协谱进行归一化，以便于CO2和T之间的比较，并且相对于归一化频率作图。f (zm/u)，其中zm是测量高度，u是平均风速。高度zm被计算为塔架高度和零位移平面之间的差异，其基于经验法则估计（其中zd = 0.7zH，Grimmond and Oke, 1999）为8.4米。我们在两个轴上使用对数刻度来强调幂法则关系。

CO2和T的光谱和协谱在高频下显示相似的模式，f (zm/u)gt;2。在相同的频率范围内，光谱显示了惯性子范围内预期的-5/3斜率，其中来自含能涡度的净能量和消散处的较小尺度的净能量相平衡。频谱提供了一种额外的平均值，用于识别EC系统中的频率相关行为，这可能导致通量测量中的系统误差。这是因为光谱响应两个变量之间的相位关系和它们各自的幅度作为频率的函数。CO2浓度和T值由独立仪器测量，因此，它们的协谱与垂直风速之间的对应关系表明没有系统相移，没有协谱失真。

光谱和协谱的分析结果清楚地表明，我们的通量系统完全能够通过EC模式在城市环境中测量CO2的通量，但是，没有确定平稳性要求的抽样期（如下所述）不符合光谱和协谱的分析标准。在进一步分析光谱和协谱的过程中，抽样期并没有被忽略，但是基于平稳性测试而剔除它们，这更容易以客观的方式来使用。

2.5稳定度测试

城市通量观测塔的适用性被认为是稳定的，使得测量高度超过小规模异质性融合到城市上方的净交换流的混合高度。稳定度的一个标准是看，从30分钟平均获得的通量与来自30分钟同期的5分钟的六个连续子周期的平均值之间的差异是否小于60％（Aubinet et al., 2000）。当湍流变量不稳定时，通量可能是有问题的，因此不应将其视为后续分析。在我们的研究中，稳定条件在半小时的时间段中达到74％。图3比较了在整个运动期间通过

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