Flux and concentration measurements of carbon dioxide and ozone in a forested environment

FLUX AND CONCENTRATION MEASUREMENTS OF CARBON DIOXIDE AND OZONE IN A FORESTED ENVIRONMENT This thesis compiles the setup and characteristics of the measurement systems for CO2, H2O vapour and O3 eddy-covariance (EC) flux and vertical concentration profile, and their calibration arrangements at the SMEAR II station of the University of Helsinki. A commercial chemiluminescence O3 analyser operating on a liquid reagent solution was modified to improve its suitability and reliability in long term EC flux measurements. Fluxes of CO2 and O3 were also determined with the flux-profile method relating the fluxes to the observed concentration profiles. The EC and the flux-profile methods were inter-compared and their performances were evaluated. A separate measurement system utilising a commercial, low cost Non-dispersive Infrared-absorption analyser and incorporating an automatic calibration system for measuring atmospheric CO2 mole fraction was developed in the thesis. The performance of the system was evaluated and its measurement accuracy was determined in comparisons to reference standards. The measured CO2 mole fraction data was compared with the results of an independent atmospheric transport simulation (MACC-II) for period November 2006–December 2011. The modifications made to the reagent liquid flow system improved the reliability of the EC O3 analyser. The fluxes measured with the eddy-covariance and flux-profile method agreed during daytime under unstable conditions. At night-time the flux-profile method estimated higher respiration of CO2 and stronger deposition of O3, but no apparent reason for over- or underestimation by either method was identified. Night-time eddy-covariance fluxes had a specious dependence on turbulence even after accounting for storage flux. Additionally the chemical sink strength was evaluated negligible also for O3. Accounting for vertical advection flux removed the dependencies. However, while accounting for the vertical advection flux resulted in invariance of both net ecosystem exchange (NEE) of CO2 and deposition rate of O3 on turbulence intensity, the importance for estimating e.g. NEE by different ways at other flux tower sites was stressed. The atmospheric CO2 mole fraction measurement system had an accuracy of 0.3–0.4 µmol mol-1, an operating ratio of 99 % and its data coverage was 95 % during the comparison period. The trend and phase of the modelled and measured atmospheric CO2 mole fraction data, on the average 390 µmol mol-1, were observed to generally agree and the average bias of the simulation, –0.2 µmol mol-1, was within the measurement accuracy. The instrumentation fulfilled the set requirements of accuracy and continuous operation, and the result of the comparison implied that the CO2 mole fraction data from the SMEAR II station would clearly have the potential to be assimilated in the MACC-II simulations and thus improving their accuracy.HIILIDIOKSIDIN JA OTSONIN VUO- JA PITOISUUSMITTAUKSET METSÄYMPÄRISTÖSSÄ Väitöskirjassa koostetaan hiilidioksidin (CO2), vesihöyryn ja otsonin (O3) massavirtauksen (vuon) mittaamiseen tarkoitettujen pyörrekovarianssi-menetelmä laitteistojen ja pystysuuntaisia pitoisuuseroja mittaavan laitteiston sekä näiden kalibrointijärjestelyjen tekniset rakenteet ja tunnusomaisuudet Helsingin yliopiston SMEAR II asemalla. Pyörrekovarianssi-mittauksissa käytettävää O3-analysaattoria muokattiin pitkäaikaismittauksiin paremmin soveltuvaksi ja toiminnan luotettavuuden lisäämiseksi. CO2- ja O3-vuot mitattiin myös vuoprofiili-menetelmällä, jossa vuo liitetään havaittuun pystysuuntaiseen pitoisuuseroon. Menetelmiä verrattiin keskenään ja niiden soveltuvuus ja toimintakyvyt arvioitiin. Väitöskirjassa kehitettiin automaattisen kalibrointijärjestelmän sisältävä, huokeaan analysaattoriin perustuva, laitteisto CO2-pitoisuuden mittaamiseen ja edelleen tuottamaan aineistoa alueellista CO2-nettovaihtoa kuvaaville tietokonemalleille. Sen toimintakyky arvioitiin ja tarkkuus määritettiin vertailuissa mittanormaaleihin, ja mitattuja pitoisuuksia verrattiin riippumattomalla mallilla (MACC-II) laskettuihin pitoisuuksiin jaksolle marraskuu 2006–joulukuu 2011. O3-analysaattorin toiminnallisiin järjestelyihin ja rakenteisiin tehdyt muutokset paransivat sen toiminnan luotettavuutta. Vuoprofiili- ja pyörrekovarianssi-menetelmillä mitatut vuot olivat yhtenevät päiväaikaan meteorologisesti epästabiilien olosuhteiden vallitessa. Yöaikaan vuoprofiili-menetelmällä havaittiin suurempi CO2-vuo latvustosta ylöspäin ja suurempi O3-vuo alaspäin latvustoon kuin pyörrekovarianssi-menetelmällä, mutta selkeää syytä kummankaan menetelmän yli- tai aliarviointiin ei voitu todeta. Yöaikaisissa pyörrekovarianssi-menetelmällä mitatuissa voissa oli näennäistä riippuvuutta ilman pyörteisyydestä, vaikka latvuston ja maanpinnan välisessä tilassa kertyvän tai poistuvan massapitoisuuden muutos otettiin huomioon. Lisäksi kemiallinen poistuma arvioitiin myös O3 osalta merkityksettömäksi. Voiden riippuvuudet pyörteisyydestä eliminoituivat ottamalla huomioon pystysuuntainen kulkeutuminen ilmavirtauksen mukana pois latvuston ja maanpinnan välisestä tilasta. Tuloksia ei kuitenkaan voida suoraan yleistää muille mittauspaikoille, vaan esim. paikallinen CO2 nettovaihto ekosysteemin ja ilman välillä on lisäksi arvioitava myös muilla menetelmillä. CO2-pitoisuuden mittauslaitteiston mittaustarkkuus oli 0.35 ppm, toimintasuhde 99 % ja tulosten kattavuus 95% vertausjaksolla. Mallinnettu ja mitattu CO2-pitoisuus, keskimäärin 390 ppm, vastasivat yleisesti ottaen toisiaan ja keskimääräinen ero, –0.2 ppm, oli laitteiston mittaustarkkuuden rajoissa. Laitteistolle asetetut toiminnalliset tavoitteet täyttyivät, ja vertailun tulosten perusteella voitiin todeta MACC-II mallinnusten tarkkuuden parantuvan, mikäli SMEAR II asemalla mitattu CO2-pitoisuusaineisto jatkossa sulautettaisiin malliajoihin