南科大叶建淮课题组发表河陆风对亚马逊热带雨林生物源排放迁移转化影响的研究成果
2022年08月31日 科研新闻 浏览量 :938

近日,南方科技大学环境科学与工程学院助理教授叶建淮课题组与哈佛大学合作,在环境科学领域顶级期刊Environmental Science & Technology 发表封面文章,研究报道了亚马逊流域河陆风对亚马逊热带雨林生物源排放迁移转化的影响。

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亚马逊流域拥有着数条世界上最长、最宽的河流,如亚马逊河、内格罗河和塔帕霍斯河等。河流是亚马逊热带雨林生物群落生长生活的独特生态区。河流-陆地-大气相互作用影响着河滨生态区水、气、光、热在不同圈层的相互交换。其中,河陆风是河流影响大气的一个重要表现形式。在白天,陆地比热容小,温度高,陆地上气团上升,形成低压区,气流从河流吹向陆地,形成河风;在夜间,陆地冷却快,温度低,形成高压区,气流由陆地吹向河流,形成陆风。河陆风环流的形成和发展与所研究区域的河流特性、地形地貌、植被覆盖、信风等多重因素密切相关,目前文献中对亚马逊流域所形成的河陆风特征知之甚少,对河陆风环流如何影响亚马逊热带雨林水文循环和污染物迁移转化不甚明确。

森林排放的挥发性有机化合物(VOC)是连接生物圈和大气圈的重要物种,对森林生态系统生物信号传递、空气质量、以及区域和全球气候有着不容忽视的作用。本研究以无人机化学传感为特色,通过使用无人机搭载化学、气象传感采样系统收集亚马逊内格罗河上空大气VOC和气象数据,结合大涡模拟,探讨了河陆风对典型亚马逊流域河滨生态区生物源VOC传输和扩散的影响。

研究发现在河陆风存在的情况下,河流上空风速风向呈特征分布,理想状态下河陆风环流的水平风向在环流高空和低空呈180°转变(图1)。 

叶建准2.png 图1 无河陆风条件下(A)和有河陆风条件下(B)河流上空水平风向垂直分布情况

河陆风对生物源VOC的传输和扩散是下垫面特征排放、下垫面热通量差异、信风和大气化学共同作用的结果。研究发现,河陆风促进了亚马逊河滨生态区VOC的再分配。在河风期间,植物排放的异戊二烯、⍺-蒎烯和β-蒎烯在河流上的浓度分别增加了50%、60%和80%,但对VOC二次氧化产物(如2-甲基丙烯醛)的分布无显著作用(图2)。

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图2 VOC在无河陆风(A-I、B-I、C-I和D-I)和河陆风存在条件下(A-II、B-II、C-II和D-II)的垂直浓度分布情况

区别于毗邻森林地区,在河风作用下,河流上空VOC亦呈特征性垂直分布。大涡模拟结果表明,河风期间,VOC浓度最大值出现在河流上空200-500 m(图3)。这与无人机观测结果一致(图2,500 m处VOC的浓度比100 m处的浓度可高出80%),也与在该观测点500 m高空的飞机飞行航测数据分析一致(详见论文第3.1部分)。

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图3 无信风条件下河陆风对河滨生态区VOC传输和扩散的影响

信风风速和风向是河陆风的产生和发展的重要影响因素。在无信风条件下,河陆风最为发育,河流上空VOC浓度变化也最为显著(图3)。相比之下,在强信风天气条件下,当信风方向与河流方向平行时,信风可将上风向陆地上空的暖湿空气传输至河流上空,抑制了河流上空河风的形成;当信风方向与河流方向垂直时,强信风则将取代河陆风,主导VOC在该区域的传输和扩散(图4)。

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图4 强信风条件下,当信风方向与河流方向垂直时,信风将主导VOC在该区域的传输和扩散

由河陆风引起的VOC特征分布影响着河滨生态区动植物生态系统信号传递。VOC参与河滨大气氧化活性物种的生消循环,其非均一分布可造成大气氧化性分布的“口袋效应”(pocketed segregation),进而影响河滨生态区二次污染物的形成和分布。虽然本研究关注于生物源VOC,但研究结论同样适用于河滨去城市和工业源排放的人为VOC化合物。本研究揭示了河陆风对河滨生态区VOC迁移转化的影响,呼吁在区域大气化学和气候模型应将河陆风的作用考虑在内以更好地表征大河流域河滨生态区生物源排放和空气污染的大气演变过程。

研究成果以“River Winds and Transport of Forest Volatiles in the Amazonian Riparian Ecoregion”为题发表在Environmental Science & Technology上,文章被选为期刊当期封面论文。南科大助理教授叶建淮为第一作者,哈佛大学Scot Martin教授为通讯作者。合作者包括美国加州大学尔湾分校Alex B. Guenther教授、荷兰瓦格宁根大学Jordi Vilà-Guerau de Arellano教授、巴西亚马逊州立大学Rodrigo Augusto Ferreira de Souza教授和Adan S. S. Medeiros教授等。


论文链接:https://doi.org/10.1021/acs.est.1c08460

 

供稿单位:环境科学与工程学院

通讯员:晏梓添

主图:丘妍

编辑:韩文嘉


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