Towards more consistent estimates of methane fluxes by the eddy covariance technique

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-7091-45-6
Title: Towards more consistent estimates of methane fluxes by the eddy covariance technique
Author: Peltola, Olli
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics, Atmospheric sciences
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Methane (CH4) is a strong greenhouse gas and its surface mixing ratio has increased by 150 % since the pre-industrial era. The aggregated atmospheric CH4 budget is relatively well-constrained, however the contribution of different sources/sinks to the overall budget is not. The exchange of matter and energy between the atmosphere and different ecosystems can be studied with eddy covariance (EC) technique. Recently, instrumentation suitable for EC measurements of CH4 fluxes have become available, however, measurement and data processing methodologies are yet to be standardised. By including instrument and software intercomparisons, this thesis is aimed to advance the harmonisation of EC CH4 flux measurement and data processing methodologies. Data from two sites are utilized: Siikaneva fen in Southern Finland and Cabauw agricultural peatland in the Netherlands. Improvement in CH4 instrumentation was exemplified in this work by the decrease in the signal noise: the new CH4 gas analysers showed approximately 10-times lower noise levels than the older models. Cumulative CH4 emissions agreed within 7 % which suggests that there was no significant bias between the instruments. Another possible source of uncertainty is EC data processing. Two widely used EC data processing programs computed comparable CH4 fluxes for different instrument and data processing combinations and thus the data processing routines were implemented similarly. The significance of careful EC data processing was demonstrated by the fact that occasionally the flux corrections contributed over 100 % of the measured signal. EC CH4 fluxes showed high spatial variability in an agricultural peatland ecosystem, considerably higher than the other fluxes. The variability hinders the scalability of EC CH4 fluxes to larger spatial scales and scaling is needed if the CH4 balance of the whole landscape is evaluated. Therefore, the usability of tall flux tower to measure the landscape fluxes directly was also explored. While the results from this exercise were encouraging, the morning and evening transition periods proved to be difficult for the tall flux tower system. This thesis sets a benchmark for the precision and accuracy of EC CH4 data by evaluating instrumentation and data processing tools. Further, the thesis raises awareness of possible problems when upscaling short tower EC CH4 measurements due to flux variability within the landscape. Finally, the findings can be used by researches in the future to evaluate the reliability of their EC CH4 data and thus the thesis contributes to the harmonisation of EC CH4 methodologies.Metaani (CH4) on voimakas kasvihuonekaasu ja sen alailmakehän pitoisuus on kasvanut 150 % esiteollisiin aikoihin verrattuna. Kaikkien ilmakehän CH4:n lähteiden ja nielujen nettovaikutus voidaan määrittää melko tarkasti, mutta erillisten lähteiden/nielujen vaikutuksen määrittäminen on huomattavasti vaikeampaa. Ilmakehän ja erilaisten ekosysteemien välillä tapahtuvaa aineen ja energian vaihtoa voidaan mitata pyörrekovarianssimenetelmällä (suora vuomittaus, eddy covariance , EC-menetelmä). EC-mittauksiin soveltuvien CH4 analysaattorien määrä markkinoilla on kasvanut viime aikoina voimakkaasti ja tämä on johtanut tällaisten vuomittausten nopeaan yleistymiseen. Siksi mittaustapojen ja -tulosten prosessointimenetelmien yhdenmukaistamista tarvitaan pikaisesti. Tämä väitöskirjatyö vastaa osaltaan tähän tarpeeseen. Tässä työssä vertaillaan muun muassa eri CH4 laitteita ja datan prosessointimenetelmiä/ohjelmistoja ja käytetään mittauksia kahdelta asemalta: Siikaneva-suolta Etelä-Suomessa ja maatalouskäytössä olevalta turvemaalta Cabauw:ssa, Alankomaissa. Vuosien saatossa tapahtunutta CH4 mittalaitteiden kehittymistä havainnollistettiin tässä työssä vertailemalla eri laitteiden signaalin kohinaa. Uusien analysaattorien kohinan taso oli noin 10-kertaa pienempi kuin vanhemmilla malleilla. Eri laitteiden avulla määritetyt kumulatiiviset CH4-päästöt vaihtelivat 7 % sisällä, mikä viittaa siihen, että laitteiden välillä ei ollut merkittävää systemaattista eroa. Toinen mahdollinen epävarmuustekijä CH4 vuomittauksissa on prosessoinnista johtuvat virheet. Tässä työssä vertailtiin kahta laajasti käytössä olevaa prosessointiohjelmaa ja ne tuottivat samanlaisia lopputuloksia erilaisille prosessointimenetelmä ja mittalaite yhdistelmille. Tässä työssä osoitettiin myös, että EC-datan prosessointi vaatii tarkkuutta: hetkittäin joihinkin mittauksiin tehtävät korjaukset olivat yli 100 % alun perin mitatusta signaalista. EC-menetelmällä Cabauw:n turvemaalla mitatut CH4 vuot vaihtelivat spatiaalisesti merkittävästi enemmän kuin muut mitatut vuot. Tämä vaihtelu vaikeuttaa vuomittausten skaalausta isommalle alueelle ( upscaling ), mikä on välttämätöntä jos mittausten perusteella tahdotaan arvioida laajemman alueen CH4 vaihtoa. Sen vuoksi tässä työssä tutkittiin myös, että voitaisiinko korkeaan torniin asennetulla EC-mittaussysteemillä mitata koko ympäröivän maiseman CH4 vaihtoa suoraan. Vaikkakin tämän harjoituksen tulokset olivat lupaavia, niin auringonnousun ja -laskun aikaan korkean tornin mittaukset osoittautuivat epäedustaviksi. Tässä väitöskirjatyössä määritettiin EC-tekniikalla mitattujen CH4 voiden systemaattiset ja satunnaiset virheet muun muassa vertailemalla mittalaitteita ja ohjelmistoja. Lisäksi työ painottaa, että CH4 voiden spatiaalista vaihtelua ei pidä unohtaa, jos EC-tekniikalla mitattuja CH4 voita skaalataan isommalle alueelle. Tämän työ tuloksia voidaan käyttää tulevaisuudessa CH4 vuomittausten oikeellisuuden arvioinnissa ja täten tämä työ edistää EC-menetelmien yhdenmukaistamista.
URI: URN:ISBN:978-952-7091-45-6
http://hdl.handle.net/10138/159546
Date: 2016-02-26
Subject: meteorologia
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
towardsm.pdf 2.796Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record