Setup of a CO2 and CH4 measurement system in Central Siberia and modeling of its results

Abstract

To improve the monitoring of the carbon cycle, an automated, low maintenance measurement system has been installed at the Zotino Tall Tower Observatory in Central Siberia (ZOTTO, 60°48’ N, 89°21’ E) in April 2009. A cavity ring-down spectroscopy (CRDS) analyzer continuously measures carbon dioxide (CO2), methane (CH4) and water vapor (H2O) from six heights up to 301 m a.g.l. The measurement precision (accuracy) of 0.04 ppm (0.09 ppm) for CO2 and 0.3 ppb (1.5 ppb) for CH4 is compliant with the WMO recommendations. The data collected so far (until June 2011) reveals an increase of 2.62 ppm/yr and a seasonal cycle amplitude of 28.3 ppm for CO2 at the 301m level. Buffer volumes in each air line allow continuous, near-concurrent measurements from all tower levels with only one analyzer. The gradients between the tower levels have been analyzed in combination with meteorological measurements to estimate diurnal cycles of local CO2 and CH4 fluxes for individual summer months, which compare well with previous studies. Finally, the CO2 and CH4 observations have been incorporated into an atmospheric transport inversion model to estimate fluxes for the boreal zone of Central Siberia of 0.04 ± 0.11 PgC through CO2 and 8.4 ± 1.1 TgC through CH4 in the year 2009.

Um die Überwachung des Kohlenstoffkreislaufes zu verbessern, wurde im April 2009 ein automatisiertes, wartungsarmes Messsystem am „Tall Tower Observatory” (ZOTTO, 60°48’ n.B., 89°21’ ö.L.) in Zentralsibirien installiert. Ein auf Cavity-Ring-Down-Spektroskopie (CRDS) basierendes Messgerät misst kontinuierlich Kohlenstoffdioxid (CO2), Methan (CH4) und Wasserdampf (H2O) von sechs Turmhöhen bis zu 301 m. Die Messgenauigkeit (Exaktheit) von 0,04 ppm (0,09 ppm) für CO2 und 0,3 ppb (1,5 ppb) für CH4 fügt sich den WMO-Vorgaben. Die bislang gesammelten Daten (bis Juni 2011) zeigen einen jährlichen Anstieg von 2,62 ppm und eine Amplitude im Jahresgang von 28,3 ppm für CO2 auf 301 m Höhe. Puffervolumen in jeder Ansaugleitung ermöglichen kontinuierliche, nahezu gleichzeitige Messungen von allen Turmhöhen mit nur einem Messgerät. Die Gradienten zwischen den Turmhöhen wurden gemeinsam mit meteorologischen Messungen ausgewertet, um den Tagesgang von lokalen CO2- und CH4-Flüssen für einzelne Sommermonate abzuschätzen, welche im Einklang mit früheren Studien sind. Schließlich wurden die CO2- und CH4-Beobachtungen in ein inverses atmosphärisches Transportmodel eingebunden um Flüsse für die boreale Zone Zentralsibiriens von 0,04 ± 0,11 PgC durch CO2 und 8,4 ± 1,1 TgC durch CH4 im Jahr 2009 zu errechnen.