上海郊區(qū)二氧化碳通量特征分析

支 星，敖翔宇

（1.上海市氣象局科技處，上海 200030；2.中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所，上海 200030；3.中國(guó)氣象局上海城市氣候變化應(yīng)對(duì)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，上海 200030；4.上海市氣象與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200030）

引言

隨著城市城區(qū)面積擴(kuò)大、人口增加、工商業(yè)發(fā)展、交通流量增加，城市的CO2排放量也相應(yīng)增加。針對(duì)城市地氣間CO2交換開展研究，可以深刻理解城市生態(tài)系統(tǒng)在全球碳循環(huán)中的地位與作用［1-4］。

城市CO2通量的研究一般采用渦動(dòng)相關(guān)法（Eddy Covariance），該方法通過計(jì)算溫度、相對(duì)濕度和氣體濃度等要素的脈動(dòng)與風(fēng)速脈動(dòng)的協(xié)方差，能直接獲得CO2通量、感熱和潛熱通量等。該方法可穩(wěn)定捕捉10Hz 左右的脈動(dòng)，最初主要應(yīng)用于下墊面平坦均勻的自然地表［5］，近年來逐漸擴(kuò)展應(yīng)用于城市中心城區(qū)和城郊地區(qū)。

歐美的一些發(fā)達(dá)國(guó)家較早就開始在城郊地區(qū)進(jìn)行CO2通量的觀測(cè)分析，Coutts 等［6］發(fā)現(xiàn)澳大利亞墨爾本郊區(qū)夏季湍流混合發(fā)生得更早，使得CO2的早高峰效應(yīng)不那么明顯。Crawford 等［7］發(fā)現(xiàn)美國(guó)馬里蘭郊區(qū)巴爾的摩的生長(zhǎng)季節(jié)，白天植物光合作用、夜間土壤溫度與CO2通量變化息息相關(guān)。Ward 等［8］發(fā)現(xiàn)倫敦近郊城市史云頓夏季白天CO2通量與植物光合作用相關(guān)性大，晨間由于垂直混合作用增強(qiáng)，CO2通量增加。Velasco 等［9］比較分析了世界不同地區(qū)CO2通量特征，發(fā)現(xiàn)其早晚高峰與交通、人類活動(dòng)、供暖（制冷）有關(guān)。

CO2通量的觀測(cè)分析在國(guó)內(nèi)目前主要集中在北京、沈陽(yáng)、上海等大型城市的中心城區(qū)。例如，賈慶宇等［10］發(fā)現(xiàn)在供暖前，沈陽(yáng)中心城區(qū)CO2通量的變化趨勢(shì)與溫度的變化曲線存在著一定對(duì)應(yīng)關(guān)系。Ao 等［11］發(fā)現(xiàn)上海中心城區(qū)徐家匯的CO2通量變化主要受交通流量影響，呈現(xiàn)明顯的早晚高峰效應(yīng)。支星等［12］發(fā)現(xiàn)上海中心城區(qū)徐家匯冬季的CO2通量普遍小于其他季節(jié)，尤其在早高峰時(shí)段更為明顯，節(jié)假日CO2通量的早高峰效應(yīng)并不明顯。

上述研究表明，CO2通量受氣象要素、人類活動(dòng)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)學(xué)過程等影響，在不同城市或相同城市不同區(qū)域不盡相同。上海作為中國(guó)的經(jīng)濟(jì)中心，郊區(qū)和中心城區(qū)在人口密度、土地覆蓋類型、能源消耗和排放方式等方面有較大區(qū)別，而城郊結(jié)合部又是城市擴(kuò)張較為敏感的地區(qū)，因此，針對(duì)上海郊區(qū)下墊面特點(diǎn)開展CO2通量觀測(cè)分析顯得十分必要［13-15］。

本文利用2015 年9 月1 日至2016 年8 月31 日CO2通量觀測(cè)資料，分析上海郊區(qū)奉賢的CO2通量的時(shí)空分布特征，期望研究結(jié)果能為城市溫室氣體減排和城市規(guī)劃制定等提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 研究地點(diǎn)概況

圖1 奉賢觀測(cè)塔周邊1500m 范圍下墊面覆蓋及足跡分布

高為28m 通量觀測(cè)塔（FX，30.89°N，121.5°E）位于上海市奉賢區(qū)氣象局觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)，圖1 給出了研究時(shí)段平均的通量貢獻(xiàn)源區(qū)范圍。由圖可知，觀測(cè)塔周邊1500m 范圍約涵蓋了80%的通量貢獻(xiàn)源區(qū)，源區(qū)總體上呈東南—西北走向，這與觀測(cè)塔周邊全年的主導(dǎo)風(fēng)向（東南風(fēng)）一致。東側(cè)的源區(qū)較大，主要是該側(cè)除250m 處有一條南北走向的金海公路外，其他均以農(nóng)田為主。觀測(cè)塔周邊1500m 范圍內(nèi)以綠地和居民區(qū)為主，建筑物比例約為14%（主要分布在北側(cè)和東南側(cè)），不透水路面比例為20%。根據(jù)Liu等［16］研究，2016 年5—10 月奉賢通量觀測(cè)塔周圍1km 范圍內(nèi)樹木、草地等植被覆蓋率高達(dá)63%，遠(yuǎn)高于中心城區(qū)徐家匯站的17%［11］。因此，奉賢站與中心城區(qū)徐家匯站下墊面多為建筑物有顯著的區(qū)別，屬于典型的郊區(qū)站。

奉賢區(qū)整體位于上海東南邊，與浦東新區(qū)、金山區(qū)、松江區(qū)、閔行區(qū)等接壤，南臨杭州灣［17］。奉賢區(qū)氣象局地處上海市奉賢區(qū)金海公路旁，地理位置明顯屬于郊區(qū)。

1.2 儀器介紹

奉賢通量觀測(cè)塔上的觀測(cè)儀器（表1）包括三維風(fēng)速風(fēng)向儀、開路氣體分析儀、四分量輻射通量觀測(cè)儀、溫濕度傳感器、紅外溫度傳感器。其中，開路氣體分析儀（EC150）和三維風(fēng)速風(fēng)向儀（CSAT3A）用來獲取CO2通量、感熱通量和潛熱通量數(shù)據(jù)，儀器安裝方位為東南向約115°，與盛行的東南風(fēng)基本一致；四分量輻射通量觀測(cè)儀（CNR4）用來獲取向上和向下的長(zhǎng)短波輻射通量數(shù)據(jù)，儀器安裝方向?yàn)檎戏较?；溫濕度傳感器（HMP155A）和紅外溫度傳感器（SI-111）用來獲取溫度和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)。上述數(shù)據(jù)采樣頻率均為10Hz。

1.3 數(shù)據(jù)處理

首先，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行野點(diǎn)剔除，并消除非均勻地表對(duì)垂直風(fēng)速的影響，利用超聲虛溫訂正以及密度訂正，修正濕度對(duì)超聲速儀的影響以及空氣密度變化引起的誤差，得到30min 的通量數(shù)據(jù)集。其次，將湍流混合不夠充分的數(shù)據(jù)（摩擦速度小于0.1m·s-1的數(shù)據(jù)）予以剔除［18］。再次，將夜間CO2通量為負(fù)值（紅外氣體分析儀光譜效應(yīng)所帶來的系統(tǒng)誤差）的數(shù)值剔除。最后，對(duì)缺失和刪除的CO2通量數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)，插補(bǔ)時(shí)，依據(jù)連續(xù)缺失數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度選擇不同的插補(bǔ)方法［19］。2015 年9 月10—14 日、2016 年6 月22—30 日兩個(gè)時(shí)段數(shù)據(jù)缺失（設(shè)備故障）。通過上述質(zhì)量控制，約有84%的數(shù)據(jù)用于本文的研究與分析。

表1 渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)儀器說明

本文選取的研究時(shí)段為2015 年9 月1 日至2016 年8 月31 日，并分為秋季（9—11 月）、冬季（12—2 月）、春季（3—5 月）和夏季（6—8 月）。

2 觀測(cè)期間的氣象條件

奉賢臨江瀕海，為亞熱帶季風(fēng)氣候，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，四季分明、日照充足、雨水充沛［17］。2015 年9月1 日—2016 年8 月31 日的月平均氣溫和月累計(jì)降水量的分布情況見圖2。觀測(cè)期間年平均氣溫為17.0℃，與同時(shí)期中心城區(qū)徐家匯的平均氣溫（17.9℃）相比偏低近1℃。最高月平均氣溫出現(xiàn)在2016 年7月的29.3℃，最低月平均氣溫出現(xiàn)在2016 年1 月的4.6℃。觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)的年降水量為1 316.7mm，較同期中心城區(qū)徐家匯站的降水量（1 366.2mm）略有偏低，主要降水月份集中在受梅雨天氣影響的2016 年6 月（292.5mm）。觀測(cè)時(shí)間段全年風(fēng)速以東南風(fēng)為主（圖略），春、夏季尤為明顯，且夏季相比于其他季節(jié)風(fēng)速較大，秋季以東北風(fēng)為主，冬季則盛行西北風(fēng)和東北風(fēng)。

圖2 觀測(cè)期間（2015.9—2016.8）奉賢月平均氣溫和月累計(jì)降水量的分布情況

3 CO2通量的時(shí)間變化特征及影響因素

圖3 為不同季節(jié)和不同月份CO2通量的日變化圖。由圖可知，春、夏、秋季的CO2通量的日變化總體呈現(xiàn)“V”字形態(tài)，三個(gè)季節(jié)的9—15 時(shí)，CO2通量幾乎全為負(fù)值，為典型的碳匯。其中夏季CO2通量碳匯的情況持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，從8—17 時(shí)幾乎全為碳匯，正午12 時(shí)CO2通量最低，為-9μmol·（m2·s）-1左右。冬季CO2通量的日變化則呈現(xiàn)連續(xù)的“W”字形態(tài)，全天CO2通量均為正值，為CO2通量的源區(qū)，冬季CO2通量在8—17 時(shí)明顯高于其他季節(jié)，冬季其他時(shí)段的CO2通量與春、夏、秋季差不多，沒有體現(xiàn)出與中國(guó)北方北京、沈陽(yáng)等城市明顯高于其他季節(jié)的規(guī)律［10，19］，主要是因?yàn)樯虾６緵]有北方城市那樣集中供暖，沒有因供暖產(chǎn)生額外化石燃料燃燒帶來的CO2通量增加。

圖3 觀測(cè)期間不同季節(jié)CO2通量的日變化

為具體分析奉賢CO2通量時(shí)間變化的影響因素，主要從交通、居民日常生活燃?xì)庀?、植物光合作用、植物呼吸作用等角度進(jìn)行分析。

交通方面，從不同季節(jié)工作日、節(jié)假日CO2通量的日變化圖（圖4）來看，奉賢各個(gè)季節(jié)節(jié)假日CO2通量的日變化曲線與工作日類似，沒有明顯的周末效應(yīng)，這與很多城市站［10-12］不同。在城市站，由于節(jié)假日交通流量相對(duì)較少，往往節(jié)假日的CO2通量在白天明顯低于工作日。此外，除了秋、冬季工作日的早高峰時(shí)段外，春夏季CO2通量的早高峰和各個(gè)季節(jié)CO2通量的晚高峰現(xiàn)象均不明顯，這與倫敦、墨爾本、馬里蘭［6-8］等城市郊區(qū)CO2通量觀測(cè)結(jié)果有所差異。上述研究結(jié)論體現(xiàn)出，奉賢CO2通量的時(shí)間變化受交通因素影響較小，這主要和奉賢人口密度較小，居民上下班距離較近有關(guān)，居民上下班出行對(duì)汽車的依賴較中心城區(qū)小，這與竇軍霞等人對(duì)北京郊區(qū)順義的研究結(jié)論類似［19］。

由圖1 可知，本文周邊除了綠地外，以居民區(qū)為主。因此，有必要考慮居民日常生活燃?xì)庀膶?duì)CO2通量時(shí)間變化的影響。本文利用上海市奉賢區(qū)的城市燃?xì)獾闹鹑諗?shù)據(jù)，參考竇軍霞等的研究［19］，發(fā)現(xiàn)奉賢區(qū)人均每月天然氣使用量占全年用氣量的比值在7%～9.7%之間，呈現(xiàn)夏季相對(duì)較少，冬季相對(duì)較多的特征（圖5），各季節(jié)間差異不大。同時(shí)，利用天然氣燃燒生成的CO2公式：

圖4 觀測(cè)期間不同季節(jié)工作日、節(jié)假日CO2通量的日變化

式（1）中CO2NG是天然氣燃燒生成的CO2量（kgkm-1h-1），NGC為奉賢區(qū)2016 年人均用氣量（161.7m3），fngm和fngh代表每個(gè)居民天然氣月用量在全年所占的比值及天然氣小時(shí)用量在全天所占的比值，dm是每個(gè)月的天數(shù)（以31 算），ρng是天然氣的密度（0.72kgm-3），ρp是觀測(cè)站周圍的人口密度（2057人·km-2）。

圖5 上海奉賢人均月用氣量比值的月變化

由式（1）可知，即使在全年用氣量最大的12 月和1 月，按早高峰峰值時(shí)刻（8—9 時(shí)）來算，由天然氣燃燒生成的CO2通量為2.6μmol·（m2·s）-1，僅占1月份早高峰峰值23μmol·（m2·s）-1的11%左右。因此，可認(rèn)為居民日常生活排放的CO2量相比于同期的總量有限。值得一提的是，本文研究地點(diǎn)的居民區(qū)中，不可避免地混雜有旅館、飯店、五金電器廠等，它們?cè)谏a(chǎn)和經(jīng)營(yíng)時(shí)也會(huì)排放出少量的CO2，但這部分?jǐn)?shù)據(jù)并不掌握，暫無法確定這部分CO2通量的大小和季節(jié)差異。

植物光合作用是造成CO2通量時(shí)間變化的主要原因。從圖3 中可知，四季的白天CO2通量差異較大，夏季作為植物生長(zhǎng)最為旺盛的季節(jié)，植物的光合作用最為顯著，夏季白天的CO2通量明顯低于其他季節(jié)，伴隨著太陽(yáng)的早早升起，甚至在8—9 時(shí)即已開始出現(xiàn)CO2通量的負(fù)值，最低可達(dá)-9μmol·（m2·s）-1，植物光合作用完全抵消了交通和人為活動(dòng)的影響。相反，在冬季的白天，CO2通量則全為正值，說明冬季陽(yáng)光不足，植物光合作用吸收的CO2不能抵消交通和人為活動(dòng)的影響。

夜間CO2主要來自土壤呼吸和人為排放［7，20］。夜間CO2通量的大小可以用5cm 地溫來很好的指示（圖略），伴隨著地溫的增加，植物呼吸作用增強(qiáng)，CO2通量也相應(yīng)增加，這也與Crawford 等［7］對(duì)于美國(guó)城郊巴爾的摩（植被覆蓋67.4%）的研究結(jié)果類似。但是即使土壤溫度相差40℃（圖略），CO2通量也僅相差不到1.5μmol·（m2·s）-1，這也一定程度上與圖3 中夏季夜間的CO2通量略高于其他季節(jié)相吻合。

綜上，植物光合作用是影響上海郊區(qū)奉賢的CO2通量的時(shí)間變化特征的主要因素。

4 各方向CO2通量的分布特征

白天、夜間CO2通量在不同方位的分布情況如圖6 所示。從不同時(shí)段（白天和夜間）來看，夜間CO2通量基本為弱的正值，大多在0～5μmol·（m2·s）-1，各個(gè)方位上差異不大，這是因?yàn)橐归g幾乎沒有光照，交通流量也相對(duì)較少，CO2的釋放主要為人為活動(dòng)和植物的呼吸，因此各方位上差異不大。在150～270°的方向上，白天CO2通量的均值基本為負(fù)，呈現(xiàn)出碳匯的現(xiàn)象，而這是因?yàn)檫@一方向區(qū)域多為植被覆蓋，白天光合作用強(qiáng)烈，CO2吸收較多。除了150～270°的方向外（0～150°、270～360°方位），白天CO2通量的均值和夜間差不多，這是因?yàn)檫@些方位上，雖然也有一定程度的植被覆蓋，但北面平莊西路和東面金海公路上交通流量產(chǎn)生的CO2部分抵消了植物的光合作用。

圖6 觀測(cè)期間白天(a)、夜間(b)CO2通量在不同方位的分布情況

從不同季節(jié)來看，白天絕大部分方位上，夏季的CO2通量明顯低于其他季節(jié)，這與夏季植物光合作用強(qiáng)烈有關(guān)，而在90～120°方位上，夏季和其他季節(jié)的CO2通量差不多，這是由于夏季溫度較高，該方位上交通流量較大的金海公路上各類交通工具內(nèi)的空調(diào)開啟，化石燃料消耗加劇，造成CO2通量的排放明顯增加，抵消了部分光合作用吸收的CO2通量。

5 CO2通量的年總排放量

從奉賢CO2通量和氣溫的月平均值的變化情況來看（圖略），從2015 年9 月到2016 年1 月，CO2通量基本呈現(xiàn)隨氣溫的降低而升高的態(tài)勢(shì)，這是因?yàn)閺那锛救攵殡S著氣溫的逐漸降低，日照時(shí)次逐漸減少，植物的光合作用逐漸減弱，而交通工具內(nèi)制暖空調(diào)開啟帶來的燃料燃燒釋放的CO2逐漸增多。2016 年4—8 月，CO2通量基本呈現(xiàn)隨氣溫的升高而降低的態(tài)勢(shì)，并在8 月達(dá)到了CO2通量的最低值，約為0.37μmol·（m2·s）-1左右。這是因?yàn)樵诖耗┖拖募?，伴隨著氣溫的回升，植物光合作用逐漸增強(qiáng)，吸收的CO2也越來越多。

由觀測(cè)期間CO2通量數(shù)據(jù)集，計(jì)算得出上海郊區(qū)奉賢CO2年總排放量為3.83kg·m-2。對(duì)比國(guó)內(nèi)外不同城市郊區(qū)CO2通量的年總排放量（表2），可知，奉賢的CO2年總排放量明顯小于植被覆蓋率較低的日本東京、澳大利亞墨爾本和中國(guó)北京等城市的郊區(qū)。對(duì)比支星等［12］對(duì)上海中心城區(qū)徐家匯的研究也發(fā)現(xiàn)，奉賢的CO2年總排放量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于中心城區(qū)的44.5kg·m-2，充分體現(xiàn)出郊區(qū)站和城市站的明顯差異。

6 結(jié)論與討論

利用2015 年9 月1 日—2016 年8 月31 日的CO2通量觀測(cè)資料，分析了上海郊區(qū)奉賢的CO2通量的時(shí)空變化特征以及年總排放特征，得到以下主要結(jié)論：

（1）上海奉賢春、夏、秋季的CO2通量的日變化大體呈現(xiàn)“V”字形態(tài)，這幾個(gè)季節(jié)的9—15 時(shí)CO2通量幾乎全為負(fù)值。冬季CO2通量的日變化則呈現(xiàn)連續(xù)“W”字形態(tài)，全天CO2通量均為正值。奉賢CO2通量沒有明顯的周末效應(yīng)。植物光合作用是影響奉賢CO2通量時(shí)間變化特征的主要因素，居民日常生活燃?xì)庀膭t對(duì)奉賢CO2通量的時(shí)間變化影響有限。

表2 國(guó)內(nèi)外不同城市郊區(qū)CO2通量觀測(cè)的基本情況

（2）各方向CO2通量大小與其周邊下墊面情況密切相關(guān)。夜間CO2通量各個(gè)方位上都為弱的正值。白天夏季除交通流量較大的金海公路方向外，CO2通量均明顯低于其他季節(jié)。

（3）奉賢CO2通量的年總排放量為3.83kg·m-2，明顯小于植被覆蓋率較低的東京、墨爾本和北京的郊區(qū)，也明顯小于上海中心城區(qū)。

本文主要以奉賢站代表上海郊區(qū)進(jìn)行了CO2通量的分析，下一步需要與上海中心城區(qū)的CO2通量特征進(jìn)行比較，突出快速城市化和城市熱島背景下CO2通量的城鄉(xiāng)差異。此外，本文主要基于觀測(cè)事實(shí)進(jìn)行診斷分析，發(fā)現(xiàn)CO2通量的時(shí)間變化和光合作用最為相關(guān)，下一步需結(jié)合光合有效輻射等數(shù)據(jù)分析CO2通量和光合作用的具體聯(lián)系。