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Picarro G2103(動(dòng)態(tài)氨排放模型及其與WRF_Chem的在線(xiàn)耦合)

發(fā)表時(shí)間:2024-04-17瀏覽量:132


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研究背景

化肥施用和牲畜糞便中的氨(NH3)揮發(fā)是大氣中NH3的最大來(lái)源。NH3的揮發(fā)在很大程度上取決于環(huán)境和氣象條件,然而,目前的排放清單和大氣模型對這一現象的描述很少。

 

南京大學(xué)、北京大學(xué)與中國農業(yè)大學(xué)的聯(lián)合研究團隊開(kāi)發(fā)了一個(gè)動(dòng)態(tài)NH3排放模型(WRF_SoilN_Chem v1.0),該模型能夠與時(shí)間和空間變化的氣象和土壤條件交互計算NH3排放速率。NH3通量參數化包括了幾個(gè)氣象因素和人類(lèi)活動(dòng),包括施肥、牲畜糞便、交通、住宅和工業(yè)部門(mén)。然后將該模型嵌入區域WRF_Chem模型中,并根據NH3濃度、排放通量的現場(chǎng)測量和柱載荷的衛星反演進(jìn)行評估。

 

評估顯示,土壤排放與氣象學(xué)的無(wú)縫耦合可以更好地了解NH3排放的演變及其對大氣化學(xué)的貢獻,該模型很好地代表了環(huán)境NH3濃度的空間和時(shí)間變化,表明華北平原和四川盆地的排放量最高,尤其是在夏季。與使用固定排放清單輸入的正常模擬相比,該模型在模擬鋒面活動(dòng)和降水等劇烈天氣變化期間的NH3排放通量和濃度方面具有優(yōu)越的能力。排放量化方面的這些進(jìn)展也改善了天氣尺度上二次無(wú)機氣溶膠的模型性能。

 

 

建模與實(shí)驗方法

WRF_Chem代表與化學(xué)相結合的天氣研究和預測(WRF)模型。它將化學(xué)和氣象學(xué)與每個(gè)時(shí)間步長(cháng)的相互作用相結合,包含一系列處理氣相化學(xué)和氣溶膠的選項。

圖1

WRF_SoilN_Chem模型(v1.0)的體系結構概述。NH3排放通量計算(所有部分以藍色顯示)包括基本排放數據和動(dòng)態(tài)計算.父模型WRF_Chem(以灰色顯示)顯示從其源下載的標準代碼,沒(méi)有任何修改。

 

研究團隊使用Picarro G2103高精度氨氣分析儀于2012年秋天(2012年10月11日至27日)進(jìn)行的連續17天的NH3現場(chǎng)通量測量數據用于驗證模型。該測量是在冬小麥田進(jìn)行的田間規模實(shí)驗,量化了現實(shí)種植條件下地表施肥的NH3排放量。在田間,使用了三種肥料(即尿素、硫酸銨和復合氮磷鉀肥),數百個(gè)地塊的施肥持續了約20天,這對華北平原的農業(yè)狀況有很大的代表性。通過(guò)Picarro G2103 在兩個(gè)高度(2.5和8m)連續測量NH3濃度,并采用反向分散法(IDM)得出非均勻NH3排放速率。除了NH3通量外,還進(jìn)行了2米處的空氣溫度、地面0.05米處的土壤溫度、風(fēng)速和土壤含水量的輔助環(huán)境測量。

 

2019年北京和南京的站點(diǎn)對NH3和NH+4濃度進(jìn)行了連續測量,用于評估NH3模擬情況。在北京的觀(guān)測點(diǎn)位于中國環(huán)境科學(xué)研究院(CRAES)。在南京的觀(guān)測點(diǎn)位于南京大學(xué)仙林校區的地球系統區域過(guò)程觀(guān)測站,該站是長(cháng)江三角洲西部地區的區域背景站。

 

圖2

氨排放的空間分布,空間分辨率為1公里×1公里網(wǎng)格(kg yr-1)。

 

圖3

(a) 2012年10月11日至27日,中國衡水農田上方觀(guān)測到的時(shí)間序列(黑色符號)和WRF_Chem在線(xiàn)模型NH3通量(紅線(xiàn))。(b) 觀(guān)測通量測量的Diel小時(shí)箱圖(灰色),與在線(xiàn)模型結果(粉色)和基礎模型結果(藍色)配對。第5個(gè)和第95個(gè)百分位數用須圖表示,第25個(gè)和第75個(gè)百分位被包圍在方框中,中位數用穿過(guò)方框的水平線(xiàn)表示,平均值是方框中的點(diǎn)進(jìn)行的。

 

氨濃度的月變化和現場(chǎng)觀(guān)測的驗證本工作中新開(kāi)發(fā)的模型能夠模擬隨著(zhù)氣候變化而變化的NH3排放率,并將排放率的月變化與可用觀(guān)測值進(jìn)行比較。圖4顯示了地面站點(diǎn)NH3的月平均值,以及在南京和北京站點(diǎn)提取的模型結果。在兩個(gè)地點(diǎn)觀(guān)察到的NH3變化清楚地表明,冬季最小,夏季最大,這反映了在溫度更高、施肥更密集的生長(cháng)季節排放量增加。

圖4

本地運行和測量2019年南京站點(diǎn)的基準(a)和在線(xiàn)(b)模型的月平均氨濃度,虛線(xiàn)表示平均值,陰影區域的下端和上端表示每個(gè)分布的25%與75%。(c)和(d)位于北京現場(chǎng)

 

 

 

 

總結

作者開(kāi)發(fā)了 WRF_SoilN_Chem(v1.0)模型,該模型是WRF氣象模型和動(dòng)態(tài)NH3通量模型的在線(xiàn)耦合,以高時(shí)空分辨率模擬依賴(lài)氣象的區域NH3排放。在該模型中,實(shí)現了高分辨率的基本排放數據和與氣象相關(guān)的參數化,并將WRF模擬的土壤溫度、風(fēng)速、土壤濕度和降雨量視為控制NH3排放參數化的重要因素。該版本可以很容易地在其他區域或全球模型中實(shí)現,并且可以作為NH3排放計算的更精確和高度時(shí)間分辨估計的工具。

 

多次地基和衛星觀(guān)測的初步評估表明,與廣泛使用的離線(xiàn) MEIC NH3 清單相比,WRF_SoilN_Chem 模型能夠更好地代表中國東部地區地表 NH3 濃度的時(shí)空變化。作者通過(guò)現場(chǎng)實(shí)驗數據、監測觀(guān)測和衛星檢索對模型進(jìn)行了評估,這個(gè)簡(jiǎn)單模型很好地再現了在典型農田中測得的 NH3 通量的日變化。WRF_SoilN_Chem 模型中在線(xiàn)計算的季節性變化是截然不同的,并且與以夏季高濃度和冬季低濃度為特征的觀(guān)測具有相似的模式。 

 

 - END - 

 

 
 

聯(lián)合研究團隊:南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院&中國農業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院&北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院   

 

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