Comparison of measurements and water boundary layer model for methane and carbon dioxide fluxes over a boreal lake
| Title: | Comparison of measurements and water boundary layer model for methane and carbon dioxide fluxes over a boreal lake |
| Author(s): | Erkkilä, Kukka-Maaria |
| Contributor: | University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics |
| Discipline: | Physics |
| Language: | English |
| Acceptance year: | 2016 |
| Abstract: |
Freshwaters are a source of carbon to the atmosphere in the form of methane (CH4) and carbon dioxide (CO2). Global estimates of the freshwater contribution to the carbon budget are often based on a water boundary layer model (BLM) with gas transfer coefficient k calculated depending solely on wind speed. According to comparison studies, this model gives underestimated emissions and should not be used for more reliable results. A widely used flux measurement method over lakes is the floating chamber (FC) method. FC measures surface flux from a very small area of the lake, so it may not be representative of the whole ecosystem. Measurements are relatively cheap and easy, but also laborious and sporadic. Instead of measuring just a specific point on the lake, eddy covariance (EC) technique provides continuous flux measurements over a much larger source area (footprint). EC systems have been widely used over land areas, but are now growing their popularity in the lake community as well.
The aim of this study was to compare EC, FC and BLM methods for CO2 and CH4 fluxes over a boreal lake. The measurements were made at a small dimictic Lake Kuivajärvi in Hyytiälä (Juupajoki, Southern Finland) during an intensive field campaign in September 2014. Manual FC measurements were done at four measurement spots in the EC footprint area 2-3 times a day for catching spatial and temporal variability. Gas transfer velocity for BLM was calculated according to three different parametrizations. Results indicate that BLM fluxes calculated based on water convection and wind driven turbulent gas exchange compare quite well with EC measurements while the model based solely on wind speed is a clear underestimate. FC measurements show about 1.7 times larger flux values than EC. The comparison is more clear for CH4 than CO2 fluxes.
The greatest values of CH4 fluxes were measured near the shore, while CO2 flux did not show any spatial variability. After the lake started its autumn mixing, CH4 flux showed a diurnal variation with highest values measured during daytime. There was no diurnal variation before mixing. CO2 flux on the other hand showed diurnal variation only when calculated according to the BLM method.
Sisävedet (järvet, joet ja purot) ovat kasvihuonekaasujen, erityisesti metaanin (CH4) ja hiilidioksidin (CO2) lähteitä. Globaaleissa hiilitaselaskuissa makeiden vesien osuus on usein arvioitu vesirajakerrosmallin mukaan käyttäen kaasunvaihtokertoimen k laskemisessa pelkästään tuulen nopeutta kaasunvaihtoa ajavana tekijänä. Aiempien mittausmenetelmiä vertailevien tutkimusten mukaan tämä malli aliarvioi kasvihuonekaasupäästöjä, eikä sen käyttö ole suositeltavaa luotettavien tulosten saamiseksi. Laajasti järvillä käytetty vuomittausmenetelmä on kammiomenetelmä. Kammioilla saadaan vuomittauksia vain hyvin pieneltä pinta-alalta, joten ne eivät välttämättä kuvaa kattavasti tutkittavaa ekosysteemiä. Kammiomittaukset ovat edullisia ja yksinkertaisia toteuttaa, mutta ne ovat myös työläitä ja mittaukset ovat ajallisesti ja paikallisesti hajanaisia. Tietyn kohdan vuon mittaamisen sijaan nopeat pyörrekovarianssimittaukset (suora vuomittaus, eddy covariance) kattavat suuremman lähdealueen. Pyörrekovarianssimenetelmää on laajasti käytetty maa-alueiden vuomittauksissa, mutta niiden suosio järvitutkimuksen parissa on nykyään nousussa.
Tämän tutkimuksen tavoitteena oli verrata pyörrekovarianssi-, kammio- ja rajakerrosmallimenetelmiä CH4- ja CO2-vuomittauksissa sekä tutkia niiden ajallista ja paikallista vaihtelua. Mittaukset suoritettiin intensiivisen mittauskampanjan aikana Kuivajärvellä Hyytiälässä (Juupajoki, Etelä-Suomi) syyskuussa 2014. Manuaalisia kammiomittauksia tehtiin neljällä eri mittauspaikalla pyörrekovarianssin lähdealueella 2-3 kertaa päivässä, jotta saatiin tutkittua kaasunvaihdon ajallista ja paikallista vaihtelua. Kaasunvaihtokerroin rajakerrosmallimenetelmää varten laskettiin kolmen eri parametrisoinnin mukaan. Tulokset osoittavat, että rajakerrosmalli korreloi paremmin pyörrekovarianssimittausten kanssa, kun kaasunvaihtokertoimen mallintamisessa käytettiin tuulen lisäksi vesipatsaan konvektion aiheuttamaa turbulenssia. Pelkkää tuulennopeutta käyttävä malli aliarvioi kaasupäästöjä selvästi verrattuna pyörrekovarianssimittauksiin. Kammioilla mitattiin noin 1,7 kertaa suurempia vuoarvoja kuin pyörrekovarianssilla. Vertailu kuitenkin toimii paremmin metaani- kuin hiilidioksidivuolle.
Metaanivuota tarkastellessa huomattiin, että suurimmat vuoarvot on mitattu läheltä rantaa, kun taas hiilidioksidivuossa ei havaittu paikallista vaihtelua. Ajallisesti metaanivuo oli suurin päiväsaikaan, kun järven syyssekoitus oli alkanut. Ennen sekoitusta ei havaittu vuorokausivaihtelua. Hiilidioksidivuossa ajallista vaihtelua havaittiin vain, kun vuo oli laskettu vesirajakerrosmallin mukaan.
|
Files in this item
| Files | Size | Format | View |
|---|---|---|---|
| gradu_final_Erkkila.pdf | 8.060Mb |
This item appears in the following Collection(s)
-
Faculty of Science [4011]