東亞地區(qū)生物源異戊二烯排放的估算

寧文濤，趙善倫

（山東師范大學(xué) 人口·資源與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南250014）

1 引言

VOCs（Volatile organic compounds）是由各種人類(lèi)活動(dòng)和生物代謝排放到大氣中的揮發(fā)性有機(jī)化合物的總稱。由人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的 VOCs，稱為人為源VOCs（Anthropogenic volatile organic compounds，AVOCs），由自然界生物代謝排放的VOCs稱為生物源VOCs（Biogenic volatile organic compounds，BVOCs）。

VOCs中很多成分具有高度的化學(xué)活性，極易與大氣中的各種氣體（NO，NO2）、氧化劑、OH自由基等發(fā)生反應(yīng)，在對(duì)流層大氣光化學(xué)過(guò)程、特別是臭氧光化學(xué)過(guò)程中具有重要作用。光化學(xué)過(guò)程產(chǎn)生的有機(jī)酸、氣溶膠、以及二次產(chǎn)物等對(duì)大氣環(huán)境有嚴(yán)重的危害，VOCs作為臭氧形成的重要前體物之一，是光化學(xué)污染、大氣環(huán)境質(zhì)量控制等領(lǐng)域的重要研究對(duì)象，同時(shí)對(duì)氣候變暖也有間接影響[1]。

在區(qū)域和全球尺度上，植被排放的 VOCs已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了人為排放量。Guenther等（1995）估算，全球BVOCs排放量達(dá)1.150×10－12g，約占全球 VOCs年排放量的90%；異戊二烯和單萜烯是全球年排放量最大的2類(lèi)BVOCs，其中異戊二烯在總BVOCs排放量中所占的比重約為44%[2]。因此，對(duì)區(qū)域植被異戊二烯排放的研究可為進(jìn)一步探討植被對(duì)大氣環(huán)境的貢獻(xiàn)提供重要依據(jù)。

BVOCs的排放與區(qū)域氣候以及植被類(lèi)型、分布狀況密切相關(guān)，國(guó)內(nèi)外在BOVCs排放影響因素方面都有相應(yīng)的研究工作。Guenther等（1995）建立了BVOCs全球背景站，對(duì)不同類(lèi)型植被BVOCs排放進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)，給出了不同植被的BVOCs排放因子，并在環(huán)境因子對(duì)BVOCs排放影響研究的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了BVOCs排放模型，估算了全球BVOCs排放總量和異戊二烯排放量[2～3]，這些工作已經(jīng)被應(yīng)用于全球氣候變化的研究中[4]。在中國(guó)地區(qū)的7處站點(diǎn)實(shí)測(cè)了各樹(shù)種的排放速率，得到中國(guó)地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)排放因子。

國(guó)內(nèi)對(duì)中國(guó)及區(qū)域BVOCs排放也做了不少工作，對(duì)于我國(guó)不同地區(qū)代表的植被的異戊二烯排放速率進(jìn)行了廣泛而基礎(chǔ)地研究，了解我國(guó)排放異戊二烯的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種，獲取了模型所需要的基本參數(shù)；張莉等[11]；閆雁等[12]；鄭君瑜[13]，通過(guò)將植被分布類(lèi)型分布圖矢量化得到植被的分布信息并用于排放量的估算，這樣帶來(lái)的問(wèn)題就是矢量化后的精度問(wèn)題，難以滿足研究區(qū)域空氣質(zhì)量問(wèn)題的需要。

為了未來(lái)能將天然源排放模式在線嵌入到區(qū)域大氣化學(xué)模式中，本研究中利用MODIS衛(wèi)星影像，在東亞地區(qū)反演最新的與大氣化學(xué)模式相匹配的植被類(lèi)型分布，30s分辨率標(biāo)準(zhǔn)排放因子，以東亞地區(qū)BVOCs中排放量最大、化學(xué)活性高的異戊二烯作為研究對(duì)象，應(yīng)用最新的自然排放氣體和氣溶膠模 MEGAN（Modelof Emissions of Gasesand Aerosols from Nature），估算東亞地區(qū)高分辨率天然源異戊二烯排放，旨在有利于了解東亞地區(qū)區(qū)域異戊二烯的分布特征，同時(shí)為建立覆蓋整個(gè)東亞地區(qū)高分辨率的區(qū)域空氣質(zhì)量模型系統(tǒng)做準(zhǔn)備。

2 方法描述

用MEGAN估算天然源排放VOC，公式如下：

Emission＝[ε][γ][ρ][3]。

這里ε（mg·m－2·h－1）是排放因子，γ是排放活動(dòng)因子標(biāo)準(zhǔn)化率，ρ是冠層內(nèi)VOC產(chǎn)生和消耗因子。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化排放因子加訂正因子的方式來(lái)估算排放量。標(biāo)準(zhǔn)條件下，冠層尺度的排放因子處于葉面積指數(shù)LAI為5（80%成熟葉，10%成長(zhǎng)葉，10%老葉），太陽(yáng)高度角為60°，光通量密度PPFD比為0.6，空氣溫度為303K、濕度為14g·kg－1、風(fēng)速為3m·s－1，土壤濕度為0.3m3·m－3，在過(guò)去24～240h內(nèi)的葉面溫度為297K，光通量密度PPFD向陽(yáng)葉為200μmol·m－2·s－1，背陰葉為50μmol·m－2·s－1。

本研究采用的排放因子為基于全球90個(gè)站點(diǎn)的野外觀測(cè)以及80個(gè)實(shí)驗(yàn)室研究。30s數(shù)據(jù)給定每一網(wǎng)格中排放因子，這種方法綜合了地理位置和物種的差異因素。計(jì)算方法通過(guò)地面調(diào)查植被構(gòu)成，在地面調(diào)查沒(méi)有觸及的區(qū)域，結(jié)合衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，計(jì)算每種植被的排放速率和面積，經(jīng)加權(quán)平均后得到不同植被的標(biāo)準(zhǔn)排放因子。

中國(guó)地區(qū)30s排放因子由Klinger[4]實(shí)測(cè)確定。采樣站點(diǎn)位于中國(guó)的內(nèi)蒙古（溫帶），長(zhǎng)白山（北溫帶），北京山區(qū)（溫帶），鼎湖山（亞熱帶），哀牢山（亞熱帶），昆明（亞熱帶），西雙版納（熱帶），從植物種類(lèi)、生長(zhǎng)構(gòu)成、葉生物量到葉面積基本涵蓋了中國(guó)所有的森林類(lèi)型，得到中國(guó)地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)排放因子。

每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)根據(jù)不同類(lèi)型植被覆蓋的比例可以計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)排放因子，但這些標(biāo)準(zhǔn)排放因子是在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下測(cè)得的，在實(shí)際中需要考慮環(huán)境因子的影響。這里考慮葉溫、光通量密度、葉齡及土壤濕度對(duì)于排放因子的訂正。

3 輸入條件

3.1 葉面積指數(shù)LAI

MEGAN中LAI的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)MEGAN－L數(shù)據(jù)庫(kù)（MEGAN LAIv數(shù)據(jù)庫(kù)）為全球范圍內(nèi)分辨率30s（～1km2）的估算值，時(shí)間跨度為2000～2005年，該數(shù)據(jù)庫(kù)基于MODIS。

網(wǎng)格中的植被并非一致地散步到整個(gè)網(wǎng)格中。用網(wǎng)格平均LAI/網(wǎng)格內(nèi)覆蓋有植被的區(qū)域面積，得到LAIv（有植被覆蓋地區(qū)LAI），對(duì)LAIv設(shè)定上限為6，目的是消除某些網(wǎng)格植被很少卻估算出高的LAI這類(lèi)錯(cuò)誤。標(biāo)準(zhǔn)的MEGAN LAIv數(shù)據(jù)庫(kù)使用該方法得出，數(shù)據(jù)由Zhang[14]的 LAI估算值和 Hansen[15]年的植被覆蓋分?jǐn)?shù)估算值確定。數(shù)據(jù)在處理時(shí)考慮了缺失值和城市區(qū)域。

3.2 氣象場(chǎng)計(jì)算

MEGAN中的氣象參數(shù)是由 WRF（Weather Research and Forecasting Model）計(jì)算，WRF是由美國(guó)大氣研究中心（NCAR）開(kāi)發(fā)，本次模擬范圍為東經(jīng)57°～161°，北緯1°～59°；水平分辨率36km，網(wǎng)格數(shù)為200×160；采用Lambert正形投影；垂直層次20層，模式頂高約為15km，垂直分辨率在近地層較高；大尺度氣象背景場(chǎng)和邊界條件采用的NCEP資料（6h間隔）。計(jì)算2010年的氣象場(chǎng)狀況，結(jié)果輸出為每1h。

4 結(jié)果與分析

利用30s分辨率的標(biāo)準(zhǔn)排放因子計(jì)算東亞地區(qū)2010年異戊二烯的年排放量為91.24Tg，其中中國(guó)貢獻(xiàn)13.1Tg，北京地區(qū)為0.045Tg，中國(guó)地區(qū)對(duì)于東亞異戊二烯的排放貢獻(xiàn)可以達(dá)到14.4%。Zhang[16]在INTEX－B中估算東亞地區(qū)人為源異戊二烯的排放量為0.016 7Tg，其中中國(guó)0.007 6Tg，北京地區(qū)0.000 2Tg。可以看出東亞地區(qū)生物源排放的VOCs（以異戊二烯換算）遠(yuǎn)超人為源排放。從表1中可以看出，異戊二烯的排放具有非常明顯的季節(jié)特征，這與溫度和光照的季節(jié)變化有關(guān)。同時(shí)，可以看出在中國(guó)地區(qū)這種季節(jié)變化非常顯著，其中異戊二烯的排放集中于華南地區(qū)，這可能與該地區(qū)植被覆蓋及排放速率有關(guān)。但是在東南亞地區(qū)，4月的排放量卻是一年中排放量最高的時(shí)期，這可能MEGAN估算中與光照的影響有關(guān)，7月東南亞處于雨季，會(huì)影響到光通量（圖1和圖2）。表2中給出了國(guó)內(nèi)其他研究者模擬計(jì)算的中國(guó)區(qū)域異戊二烯的排放量，可以看出本研究的異戊二烯的排放量要低于[2]的研究結(jié)果，與其他研究結(jié)果相比要高，這是可能與本研究采用小時(shí)分辨率的氣象數(shù)據(jù)有關(guān)，而且在模型機(jī)理上考慮了冠層環(huán)境和葉齡的訂正。

圖1 2010年?yáng)|亞地區(qū)異戊二烯月排放量

考慮到估算過(guò)程中本身存在著誤差，而且在模型算法的采用、植被類(lèi)型分布數(shù)據(jù)、排放因子以及氣象數(shù)據(jù)的輸入上都有區(qū)別，本研究估算的中國(guó)植被VOC年排放總量與文獻(xiàn)報(bào)道較為一致。

在天然源VOCs排放的估算過(guò)程中，其估算誤差主要來(lái)自：排放因子的不確定，在制定標(biāo)準(zhǔn)排放因子時(shí)，選取的植物數(shù)量是有限的，這必然會(huì)帶來(lái)較大的誤差，不同的排放因子的模擬估算值的差異可以達(dá)到30%以上；植被類(lèi)型數(shù)量上的選取，模型在計(jì)算中為了提高效率而人為地將樹(shù)種進(jìn)行簡(jiǎn)化歸類(lèi)，植被實(shí)際地理分布的差異可以導(dǎo)致誤差。用訂正因子計(jì)算估算可以訂正冠層環(huán)境、葉齡、土壤濕度的季節(jié)變化，但無(wú)法估計(jì)植被地理分布上的改變，因此將影響估算結(jié)果空間分布的準(zhǔn)確程度；其它的影響因子目前還沒(méi)有考慮在內(nèi)，如生物氣候、CO2濃度，環(huán)境壓力等。

表2 中國(guó)地區(qū)異戊二烯排放量

表1 2010年?yáng)|亞地區(qū)異戊二烯月排放量Tg/month

圖2 2010年?yáng)|亞地區(qū)30s排放因子下異戊二烯月排放分布

5 結(jié)語(yǔ)

東亞地區(qū)的異戊二烯排放量為91.24Tg，其中中國(guó)貢獻(xiàn)13.1Tg，北京地區(qū)為0.045Tg，天然源排放異戊二烯遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人為源排放。MEGAN模擬的異戊二烯排放具有明顯的季節(jié)變化，正確地反映了植物異戊二烯的排放與溫度、光照的關(guān)系。模擬結(jié)果中，中國(guó)地區(qū)的模擬結(jié)果變化不如在美國(guó)的結(jié)果有明顯的地區(qū)差異，這與在中國(guó)地區(qū)的排放因子的測(cè)定站點(diǎn)偏少有關(guān)，以后需要加強(qiáng)中國(guó)地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)排放因子的本地化。

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