co2 surface fluxes from tethered balloon profiles in the

0.18
CO2 SURFACE FLUXES FROM TETHERED BALLOON PROFILES IN THE
NOCTURNAL BOUNDARY LAYER
L KERGOAT (1), F GUICHARD (2), F BAUP (1), C BAIN (3), E CESCHIA (1),
Y TRAORE (5), F LOHOU (6), V LE DANTEC (1), D. EPRON (7), C. LLOYD (4),
F TIMOUK (1), C DAMESIN (8), P DE ROSNAY (1), F LAVENU (1)
and E MOUGIN (1)
(1) CESBIO (cnrs/cnes/ird/ups) Toulouse France, (2) CNRM Toulouse France
(3) University of Leeds, UK (4) CEH Wallingford, UK (5) IRD Bamako, Mali
(6) L.A. Toulouse, France, (7) INRA Nancy, France, (8) Université d'Orsay, France
Because CO2 flux measurements are scarce and mostly local-scale, whereas continental surfaces are often heterogeneous, flux measurements at the landscape scale are highly valuable.
Boundary layer budgets offer attractive possibilities, although few field experiments have
been carried out so far.
We present estimates of night-time CO2 exchanges derived from profiles in the nocturnal
boundary layer (NBL). CO2 profiles were acquired with a tethered balloon in August 2004
and 2005 in Hombori (15.2 N, 1.5 W). In 2004, air was pumped through a tube down to the
ground and analysed with a LiCor. In 2005, a portable Vaisala GMP343 was plugged into the
tethered sonde and CO2 data were radio-transmitted along with pressure, temperature, humidity and wind data.
69
Nocturnal boundary layer features
21/08/2004.
Fig 1 : Vertical profiles
a) Theta
b) Mixing ratio
c) Wind direction
d) Wind speed
22/08/2004
24/08/2004
31/08/2004
Nights 21 and 31 display strong monsoon flux (with LLJ on 31).
Light winds on 22 and 24 caused stratified profiles of mixing ratio
and stronger inversions while CO2 accumulates near the surface (see
below). A strong mixing occurs near dawn on 22.
NBL profiles showed the development of relatively shallow stable boundary layers (100 m or
less) in the first part of the night. A nocturnal low level jet often developed, and sometimes
eroded the stable layer during the second part of the night (2005 data, not shown). A significant night-to-night variability exists.
Fig 2: Operational analyses by ECMWF show
similar LLJ features, although at a higher elevation than in observation. Night-to-night
variability is sligthly underestimated in the
analyses.
70
CO2 fluxes
Fig 3 : Nightime CO2 profiles
for 22/08/04 and 24/08/04.
Concentration changes below
50 m, except near dawn of
night 22, where a sudden
flush event is obvious.
Concentration above 450 ppm
are recorded near the ground.
Fig 4 : Variations of vertically integrated CO2 versus
time during nights 22/08 and
24/08. The slope gives the
surface CO2 flux, neglecting
CO2 advection and vertical
mixing at elevation 170 m.
The accumulation of CO2 is
fairly regular. CO2 strikingly
accumulates in the lowest
layers (below 50 m).
Based on calm nights, CO2 flux estimate 2.5 to 4.5 micromoles m-2 s-1. Such a high flux
(considering an ecosystem with a low leaf area index and short growing season) is consistent
with chamber measurements of soil respiration and leaf respration (see poster by Le Dantec).
Footprint analyse
Scaling based on back trajectories, MODIS vegetation index and AMSR soil moisture product
showed that chamber measurements were representative of the balloon footprint.
22/08/04 : 40 km x 40 km
24/08/04
Fig 5 : Back trajectories computed from
wind profiles, superimposed on a MODIS
vegetation index image. Green areas are
grasslands, while orange areas are bare
soil with scattered trees. The balloon is
located in site 17. Blues lines are the air
trajectories with the time at which air is
sampled by the balloon.
Average vegetation activity on night 22 is
similar to local site 17, where chamber
measures are taken. For night 24, average
vegetation activity is 30 % lower. It may
explain why CO2 flux on night 24 is
lower than on night 22.
Our data, collected after significant rain events, support the hypothesis that Sahelian ecosystems display large pulses of CO2 respiratory fluxes.
In the context of AMMA, tethered-balloon proved to be suitable to scale-up surface CO2
fluxes and to document the low-level atmosphere by allowing high-frequency soundings (see
poster by Bain et al.).
71
FLUX DE CO2 OBTENUS PAR PROFILS DE 'BALLON CAPTIF'
DANS LA COUCHE LIMITE NOCTURNE
Parce que les mesures de flux de CO2 sont rares et que les surfaces continentales sont
hétérogènes, il est difficile mais important d'estimer ces flux à l'échelle du paysage. Les bilans
de couche limite atmosphérique offrent cette possibilité, bien que peu d'expérience de terrain
aient été menées jusqu'à présent. Nous présentons ici des estimations de flux de CO2 à
l'interface sol-atmosphère obtenus à partir de profils de concentration dans le couche limite
nocturne (NBL). Les profils de CO2 ont été mesurés à partir d'un ballon captif sur le site
d'Hombori (Gourma, Mali, 15.2° N 1.5 °W) en août 2004 et 2005. En 2004, l'air était pompé à
travers un tube de 200 m depuis le ballon jusqu'au niveau du sol et passé dans un analyseur
(LiCor), alors qu'une sonde de PTU fournissait les données de pression, temperature,
humidité, vitesse et direction du vent. En 2005, une sonde portable Vaisala GMP343 était
branchée la sonde PTU et les données de CO2 étaient radiotransmises au sol.
Les profils de NBL montrent le développement d'une couche stable relativement fine (100 m
ou moins) dans la première partie de la nuit. Un jet nocturne de basse couche (LLJ) se
développe souvent, et érode parfois l'inversion dans la deuxième partie de la nuit.
A partir des mesures par nuit calme, un flux de CO2 de 2.5 à 5 micromoles m-2s-1 a été
estimé. Ce flux est intense, mais il est cohérent avec les mesures de chambre le long d'un
transect. Les rétrotrajectoires de l'air échantillonné ont été superposées aux données MODIS
d'indice de végétation et AMSR d'humidité du sol. Elles montrent que les mesures ballon et
chambres mesures des types de surface similaires. Nos données de flux, obtenues après des
pluies importantes, soutiennent l'idée que des 'pulses' (périodes d'émissions courtes et
intenses) caractérisent les écosystèmes Sahéliens.
Dans le contexte d'AMMA, le ballon captif permet d'aborder l'up-scaling des flux de CO2, et
documente en même temps les basses couches de l'atmosphère avec une bonne résolution
spatiale et temporelle (voir aussi Bain et al.).
72
Afrikaanse Moesson Multidisciplinaire Analyse
Afrikanske Monsun : Multidisiplinaere Analyser
Analisi Multidisciplinare per il Monsone Africano
Analisis Multidiciplinar de los Monzones Africanos
Afrikanischer Monsun : Multidisziplinäre Analysen
Analyses Multidisciplinaires de la Mousson Africaine
African Monsoon Multidisciplinary Analyses
1st International Conference
Dakar, 28th November – 4th December 2005
Extended abstracts
Isabelle Genau, Sally Marsh, Jim McQuaid, Jean-Luc Redelsperger,
Christopher Thorncroft and Elisabeth van den Akker (Editors)
AMMA International
Conference organisation:
Bernard Bourles, Amadou Gaye, Jim McQuaid, Elisabeth van den Akker
English and French editing :
Jean-Luc Redelsperger , Chris Thorncroft, Isabelle Genau
Typesetting:
Sally Marsh, Isabelle Genau, Elisabeth van den Akker
Printing and binding:
Corlet Numérique
14110 Condé-sur-Noireau
France
[email protected]
Copyright © AMMA International 2006
AMMA International Project Office
IPSL/UPMC
Post Box 100
4, Place Jussieu
75252 PARIS cedex 5
Web : http://www.amma-international.org/
Email [email protected]
Tel. +33 (0) 1 44 27 48 66
Fax +33 (0) 1 44 27 49 93
All rights reserved.
Back page photo: (Françoise Guichard, Laurent Kergoat)
Convective wind system with aerosols, named “haboob”, Hombori in Mali,
West Africa.
ii