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对流层顶高对拉萨地区温室气体柱浓度反演的影响

刘丹丹 黄印博 孙宇松 卢兴吉 曹振松

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对流层顶高对拉萨地区温室气体柱浓度反演的影响

刘丹丹, 黄印博, 孙宇松, 卢兴吉, 曹振松

Influence of tropopause height on inversion of greenhouse gas column concentration in Lhasa, China

Liu Dan-Dan, Huang Yin-Bo, Sun Yu-Song, Lu Xing-Ji, Cao Zhen-Song
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  • 对流层顶作为对流层和平流层之间的过渡层, 对大气痕量气体浓度反演有非常重要的影响. 理论分析对流层顶高对大气分子含量垂直分布的影响, 并结合2018年8月(6—16日)拉萨观测数据, 定量分析对流层顶高的变化对气体柱-平均摩尔分数Xgas反演的影响. 结果表明: 对流层顶高的变化改变气体分子的垂直分布, XCO2, XCH4与对流层顶高度变化呈正相关, 相关系数分别为0.998和0.780; XCO与对流层顶高度变化呈负相关, 相关系数为0.994; 而XH2O与对流层顶高度变化的相关性非常小. 对流层顶高变化3 km, XCO2, XCH4XCO误差范围在8.640%, 0.035%及0.049%以内. 观测期间, XH2O, XCO2, XCH4XCO日平均值分别在3432—4287, 406.1~408.2, 1.673—1.720及0.082—0.095 ppmv之间变化. 观测数据显示, 该地区CO2, CH4气体柱-平均摩尔分数日变化趋势相似, XCO2XCH4的相关系数大部分高于0.5. 观测结果可为我国研究高原温带地区温室气体浓度的时空分布及其变化规律提供参考和第一手的直接观测数据.
    The tropopause, as a transition layer between the troposphere and the stratosphere, has a significant influence on the inversion of trace gas concentration. Theoretical analysis of the influence of tropopause on the vertical distribution of atmospheric molecular content, combined with Lhasa observation data, is presented, and the quantitative analysis of the influence of tropopause on the inversion of column-averaged dry air mole fractions (DMFs) is given as well. The comparison results show that the tropopause height has a great influence on the inversion results. First, its height variation has a little effect on XH2O, but it has a great influence on XCO2, XCH4 and XCO. The XCO2 and XCH4 have positive correlation with tropopause height variation, but for XCO, negative correlation with the tropopause height variation is observed. The correlation coefficient of XCO2, XCH4 and XCO are 0.998, 0.78 and 0.994, respectively. When the tropopause height is varied by 3 km, XCO2, XCH4 and XCO are varied by 8.64%、0.0354% and 0.0488%, respectively. The column-averaged dry air mole water vapor, carbon dioxide, carbon monoxide and methane in Lhasa are observed based on ground-based Fourier transform infrared spectrometer EM27/SUN. The time series of XH2O, XCO2, XCH4 and XCO in a period from August 6 to August 16, 2018 in Lhasa were obtained. The main achievements are as follows. In the observation period, the daily average value of XH2O, XCO2, XCH4 and XCO vary between 3432 and 4287 ppmv, 406.1 and 408.2 ppmv, 1.673 and 1.720 ppmv, and 0.082 and 0.095 ppmv, respectively. The average value of XH2O, XCO2, XCH4 and XCO are 3919.70, 406.887, 1.689, and 0.091 ppmv, res[ectively. Comparison between XCO2 and XCH4 time series shows that XCO2 and XCH4 time series have similar daily trends, the correlation coefficient between XCO2 and XCH4 time serires is higher than 0.5. In particular, the correlation coefficient reached about 0.86 on August 7, 8, 13, 2018. High correlation coefficient indicates that CO2 and CH4 molecules come from the same source. Compared with the WACCM simulation values, the XCO2 and XCH4 of the ground-based observations are small. The observation results can provide reference and first-hand direct observation data for the study of the temporal and spatial distribution of greenhouse gases in the temperate zone of the plateau in China.
      通信作者: 曹振松, zscao@aiofm.ac.cn
    • 基金项目: 中科院-中国科学院战略性先导科技专项(A类)资助(XDA17010104)
      Corresponding author: Cao Zhen-Song, zscao@aiofm.ac.cn
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  • 图 1  (a) 观测站点位置(拉萨市气象局); (b) 观测设备(傅里叶变换光谱仪, EM27/SUN)

    Fig. 1.  (a) Observing site (Lhasa meteorological bureau); (b) FTIR spectrometer (EM27/SUN).

    图 2  不同对流层顶高度下的H2O (a), HDO (b), CO2 (c), CH4 (d), CO (e), N2O (f), HF (g)及O2 (h)廓线

    Fig. 2.  The profiles of H2O (a), HDO (b), CO2 (c), CH4 (d), CO (e), N2O (f), HF (g) and O2 (h) at different heights of top troposphere

    图 3  XH2O (a), (e), XCO2 (b), (f), XCH4 (c), (g)及XCO (d), (h)日变化随对流层顶高度的变化

    Fig. 3.  The diurnal variation of XH2O (a), (e), XCO2 (b), (f), XCH4 (c), (g) and XCO (d), (h) with tropopause height.

    图 4  (a) CO2, (b) CH4及(c) CO平均摩尔分数与对流层顶的线性拟合

    Fig. 4.  Linear fit of the average mole fraction of CO2 (a), CH4 (b) and CO (c) to the top of the troposphere.

    图 5  XH2O (a), XCO2 (b), XCH4 (c), XCO (d)的日平均序列

    Fig. 5.  Time series of XH2O (a), XCO2 (b), XCH4 (c)and XCO (d).

    图 6  2018年8月7日、8日 XCO2 (a), (b), XCH4 (c), (d)时间序列

    Fig. 6.  Time series of XCO2 (a), (b)and XCH4 (c), (d)at August 7, 8, 2018.

    图 7  XCO2XCH4相关性 (a) 2018-08-6; (b) 2018-08-7; (c) 2018-08-8; (d) 2018-08-10; (e) 2018-08-12; (f) 2018-08-13; (g) 2018-08-14; (h) 2018-08-16

    Fig. 7.  The correlation between XCO2 and XCH4: (a) August 6, 2018; (b) August 7, 2018; (c) August 8, 2018; (d) August 10, 2018

    图 8  2018年8月6日—16日72 h后向轨迹图 (a) 2018年8月4—6日; (b) 2018年8月7—9日; (c) 2018年8月10—12日; (d) 2018年8月14—16日

    Fig. 8.  72-hour back trajectories of Lhasa during August 6—16, 2018: (a) August 4-6, 2018; (b) August 7-9, 2018; (c) August 10-12, 2018; (d) August 14-16, 2018

    图 9  地基观测XCO2 (a), XCH4 (b)日平均值与WACCM数据对比

    Fig. 9.  Comparison of XCO2 (a) and XCH4 (b) based on ground-based observations and WACCM data.

    表 1  反演波段

    Table 1.  Inversion band.

    气体种类反演波段干扰分子
    H2O8353.4—8463.1CH4
    CO26173.0—6390.0H2O, HDO, CH4
    CH45897.0—6145.0H2O
    CO4208.7—4318.8CH4, H2O, HDO
    O27765.0—8005.0H2O, HF, CO2
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-19
  • 修回日期:  2020-04-12
  • 上网日期:  2020-05-09
  • 刊出日期:  2020-07-05

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