應(yīng)用案例
點擊
關(guān)注我們FOLLOW US
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(xiàn)象的描述很少。
南京大學(xué)、北京大學(xué)與中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊開發(fā)了一個動態(tài)NH3排放模型(WRF_SoilN_Chem v1.0),該模型能夠與時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(shù)化包括了幾個氣象因素和人類活動,包括施肥、牲畜糞便、交通、住宅和工業(yè)部門。然后將該模型嵌入?yún)^(qū)域WRF_Chem模型中,并根據(jù)NH3濃度、排放通量的現(xiàn)場測量和柱載荷的衛(wèi)星反演進(jìn)行評估。
評估顯示,土壤排放與氣象學(xué)的無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(xiàn),該模型很好地代表了環(huán)境NH3濃度的空間和時間變化,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機氣溶膠的模型性能。
建模與實驗方法
WRF_Chem代表與化學(xué)相結(jié)合的天氣研究和預(yù)測(WRF)模型。它將化學(xué)和氣象學(xué)與每個時間步長的相互作用相結(jié)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(jié)構(gòu)概述。NH3排放通量計算(所有部分以藍(lán)色顯示)包括基本排放數(shù)據(jù)和動態(tài)計算.父模型WRF_Chem(以灰色顯示)顯示從其源下載的標(biāo)準(zhǔn)代碼,沒有任何修改。
研究團(tuán)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(xù)17天的NH3現(xiàn)場通量測量數(shù)據(jù)用于驗證模型。該測量是在冬小麥田進(jìn)行的田間規(guī)模實驗,量化了現(xiàn)實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(fù)合氮磷鉀肥),數(shù)百個地塊的施肥持續(xù)了約20天,這對華北平原的農(nóng)業(yè)狀況有很大的代表性。通過Picarro G2103 在兩個高度(2.5和8m)連續(xù)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對NH3和NH+4濃度進(jìn)行了連續(xù)測量,用于評估NH3模擬情況。在北京的觀測點位于中國環(huán)境科學(xué)研究院(CRAES)。在南京的觀測點位于南京大學(xué)仙林校區(qū)的地球系統(tǒng)區(qū)域過程觀測站,該站是長江三角洲西部地區(qū)的區(qū)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(nóng)田上方觀測到的時間序列(黑色符號)和WRF_Chem在線模型NH3通量(紅線)。(b) 觀測通量測量的Diel小時箱圖(灰色),與在線模型結(jié)果(粉色)和基礎(chǔ)模型結(jié)果(藍(lán)色)配對。第5個和第95個百分位數(shù)用須圖表示,第25個和第75個百分位被包圍在方框中,中位數(shù)用穿過方框的水平線表示,平均值是方框中的點進(jìn)行的。
氨濃度的月變化和現(xiàn)場觀測的驗證本工作中新開發(fā)的模型能夠模擬隨著氣候變化而變化的NH3排放率,并將排放率的月變化與可用觀測值進(jìn)行比較。圖4顯示了地面站點NH3的月平均值,以及在南京和北京站點提取的模型結(jié)果。在兩個地點觀察到的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、施肥更密集的生長季節(jié)排放量增加。
圖4
本地運行和測量2019年南京站點的基準(zhǔn)(a)和在線(b)模型的月平均氨濃度,虛線表示平均值,陰影區(qū)域的下端和上端表示每個分布的25%與75%。(c)和(d)位于北京現(xiàn)場
總結(jié)
作者開發(fā)了 WRF_SoilN_Chem(v1.0)模型,該模型是WRF氣象模型和動態(tài)NH3通量模型的在線耦合,以高時空分辨率模擬依賴氣象的區(qū)域NH3排放。在該模型中,實現(xiàn)了高分辨率的基本排放數(shù)據(jù)和與氣象相關(guān)的參數(shù)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(shù)化的重要因素。該版本可以很容易地在其他區(qū)域或全球模型中實現(xiàn),并且可以作為NH3排放計算的更精確和高度時間分辨估計的工具。
多次地基和衛(wèi)星觀測的初步評估表明,與廣泛使用的離線 MEIC NH3 清單相比,WRF_SoilN_Chem 模型能夠更好地代表中國東部地區(qū)地表 NH3 濃度的時空變化。作者通過現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)、監(jiān)測觀測和衛(wèi)星檢索對模型進(jìn)行了評估,這個簡單模型很好地再現(xiàn)了在典型農(nóng)田中測得的 NH3 通量的日變化。WRF_SoilN_Chem 模型中在線計算的季節(jié)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測具有相似的模式。
- END -
聯(lián)合研究團(tuán)隊:南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院&中國農(nóng)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
原文鏈接:
如需了解更多設(shè)備詳情,請與北京世紀(jì)朝陽科技發(fā)展有限公司聯(lián)系。