Picarro L2130-i（水汽氫氧同位素反映城市大氣中燃燒水的組成和循環(huán)）

使用Picarro L2130-i光腔衰蕩光譜儀從猶他州大學(xué)校園內(nèi)八層樓高的William布朗寧大樓屋頂上方約4m的進(jìn)氣口采集測(cè)量水蒸氣同位素比。通過維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水/南極輕降水進(jìn)行參考和校準(zhǔn)。原始測(cè)量頻率約為1Hz，取5分鐘平均值，并進(jìn)行質(zhì)量控制篩選。

通過低溫捕集，從汽車的排氣管中收集了水蒸氣，將凍結(jié)的蒸汽解凍，并使用Picarro L2130-i光腔衰蕩光譜儀分析測(cè)量。對(duì)用于模擬鹽湖流域邊界層水平衡和同位素組成的多相模型進(jìn)行了修改。該模型跟蹤水蒸氣進(jìn)入和排放的通量，并在10平方公里的可變深度框代表邊界層。研究期間的臺(tái)站觀測(cè)和再分析數(shù)據(jù)分別指定了橫向和上邊界條件。表面（燃燒）排放通過重新調(diào)整“Vulcan”網(wǎng)格排放產(chǎn)品中報(bào)告的CO₂排放來指定。

觀測(cè)到的水蒸氣D盈余(紅色曲線)和SLC城市邊界層CO₂濃度(藍(lán)色曲線)。使用12小時(shí)移動(dòng)平均平滑數(shù)據(jù)?；疑幱捌跇?biāo)記為i-iv表示四個(gè)主要的大氣逆溫期。在整個(gè)記錄期間，水蒸汽d值表現(xiàn)出明顯的時(shí)間變化模式，與溫度和濕度(r=0.09和0.06)的相關(guān)性要弱得多。水蒸汽d值的平均值為+5.5‰，在研究期間最干燥的12月初出現(xiàn)了特別高的數(shù)值。最高的d值出現(xiàn)在12月7日的降雨事件之后。12月中旬之后，d值在大約+10‰和-17.2‰之間波動(dòng)。

SLC城市邊界層CO₂濃度(A)和水蒸汽d值(B)的平均日循環(huán)數(shù)據(jù)分別為逆溫期(細(xì)線)、非逆溫期(暗線)和整個(gè)記錄的數(shù)據(jù)平均值(粗線)。C中的值顯示了d變化與CO₂變化的比值，計(jì)算相對(duì)于反演周期數(shù)據(jù)的最大值(d)或最小值(CO₂) [(d-d_max)/(CO₂ - CO_2min)]。C中的數(shù)據(jù)用1小時(shí)移動(dòng)平均進(jìn)行平滑處理。

CO₂濃度的日變化模式先前被歸因于全天人類排放和大氣條件的變化，包括早晚高峰通勤時(shí)產(chǎn)生的汽車尾氣、夜間家庭供暖以及正午邊界層生長時(shí)CO₂的稀釋。在時(shí)間尺度上，蒸汽d值與排放產(chǎn)生的CO₂濃度的強(qiáng)烈關(guān)聯(lián)表明，d值可能記錄了與人為排放相關(guān)的SLC邊界層水的變化。

在反演(紅色)和反演前背景(淡紅色)條件下的邊界層水汽同位素?cái)?shù)據(jù)，以及潛在水汽來源的測(cè)量值和估定值?；旌习j(luò)圖顯示了在背景蒸汽和測(cè)量的廢氣蒸汽的最高δ²H和δ¹⁸O值之間的線性混合物中，燃燒衍生蒸汽的近似值范圍和相關(guān)貢獻(xiàn)百分比。GMWL為全球大氣降水線。

在整個(gè)研究間隔內(nèi)模擬(黑色)和觀測(cè)(灰色)大氣示蹤特性。二氧化碳濃度(A)和d值(B)的直接測(cè)量結(jié)果與氣象和排放數(shù)據(jù)強(qiáng)迫的大氣質(zhì)量平衡模型的結(jié)果進(jìn)行了比較。在B中，虛線表示用于表示自由對(duì)流層(d_a)中水汽的d值的函數(shù)，而燃燒產(chǎn)生的水蒸汽(d_c)的d值被規(guī)定為−225‰。對(duì)于d_a，使用從0到4的諧波加上一個(gè)趨勢(shì)項(xiàng)來指定簡(jiǎn)約形式，并根據(jù)d值中誤差的平方和的殘差來優(yōu)化其參數(shù)。在C中，將來自燃燒的特定濕度分?jǐn)?shù)(χ)的模型估計(jì)與直接從觀察到的d數(shù)據(jù)計(jì)算的等效估計(jì)進(jìn)行比較。這兩個(gè)估計(jì)都使用面板B中的d_a曲線。淺灰色值是3250的倍數(shù)，其中d>d_a，這意味著非物理負(fù)χ。

(A)在整個(gè)研究期間，觀測(cè)(灰色)和模擬(黑色)的d值平均日周期的比較。(B)模擬燃燒比濕度(q_c，藍(lán)色曲線)、觀測(cè)到的總比濕度(q，綠色曲線)、燃燒衍生蒸汽中q所占比例(χ)的日循環(huán)(紅色曲線)。(C)將模擬的q_c變化率分解為各組分項(xiàng)(見圖例):人為項(xiàng)是地表燃燒產(chǎn)生的向上水汽通量，攜帶項(xiàng)表示白天混合層生長時(shí)從上面吸入的空氣，平流項(xiàng)表示風(fēng)的輸送，露珠項(xiàng)表示露珠或霜對(duì)地表的損失(露珠值顯示為中值而不是平均值，因?yàn)樗鼈冇泻軓?qiáng)的負(fù)偏度)。

我們已經(jīng)證明，傳統(tǒng)的大氣中水蒸氣的穩(wěn)定同位素測(cè)量記錄了燃燒產(chǎn)生的水蒸氣濃度的信息，這些濃度在城市邊界層中可能很重要，并且它們?cè)谝幌盗袝r(shí)間尺度上隨著源強(qiáng)度和大氣混合的變化而變化。這些發(fā)現(xiàn)的影響跨越了一系列領(lǐng)域。進(jìn)一步認(rèn)識(shí)與燃燒中的水有關(guān)的極端負(fù)d值，對(duì)越來越側(cè)重于大氣水分平衡方面的水蒸氣同位素研究具有非常重要的意義，并對(duì)監(jiān)測(cè)工作中的儀器的選址和數(shù)據(jù)的解釋有一定的影響作用，例如在全美數(shù)十個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)的水蒸氣同位素比測(cè)量的國家生態(tài)觀測(cè)網(wǎng)。

以前來自其他地點(diǎn)的水蒸氣d值可能記錄了與燃燒衍生水蒸氣有關(guān)的信號(hào)；這種影響在最近對(duì)記錄的水蒸氣d值分析中并不立即明顯，但可能需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更徹底的評(píng)估。正如《燃燒之水》中所討論的，邊界層d值的測(cè)量有可能與其他示蹤劑一起使用，以努力劃分城市溫室氣體和其他污染物的排放源。

最后，燃燒產(chǎn)物水同位素特征為研究燃燒產(chǎn)生的水蒸氣作為城市水循環(huán)的一個(gè)綜合組成部分的作用提供了新的機(jī)會(huì)。本研究表明，在某些條件下，燃燒所產(chǎn)生的水蒸汽在這個(gè)循環(huán)中是一個(gè)重要的部分。燃燒產(chǎn)物水的排放通過SLC的大氣逆溫顯著增加了邊界層濕度，因此這類情況可能會(huì)影響當(dāng)?shù)氐臍庀蟆⒋髿饣瘜W(xué)和人類舒適度。了解和有效管理城市地區(qū)的水循環(huán)是可持續(xù)發(fā)展科學(xué)面臨的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)，我們的工作表明，燃燒產(chǎn)生的水是這個(gè)循環(huán)的一個(gè)重要組成部分，但可能被忽視了。

Picarro L2130-i同位素水分析儀可以提供高質(zhì)量的水穩(wěn)定同位素測(cè)量，這對(duì)古氣候?qū)W、水文學(xué)和海洋學(xué)等苛刻的應(yīng)用至關(guān)重要。同時(shí)該設(shè)備配有Chem Correct TM后期處理軟件，用于標(biāo)記污染和標(biāo)養(yǎng)校正計(jì)算。

此外，Picarro還提供多種外圍設(shè)備，可以分析各種形態(tài)或來源的水。這讓它不管在實(shí)驗(yàn)室還是在野外，都成為最受歡迎的三相水同位素分析儀(δ¹⁸O和δD)。

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