基于随机模拟的火山CO₂释放通量预测研究:以意大利埃特纳火山为例

Prediction of volcanic CO₂ flux based on random simulation: Taking the Mount Etna, Italy as an example

摘要

火山活动能够将地球深部的碳输送到大气圈,是地质碳排放和深部碳循环的重要形式。火山区所释放的温室气体(尤其是CO₂气体),对全球气候有着重要的影响。在全球气候变暖及“碳中和”计划的背景下,估算火山区温室气体释放通量,评估其对全球碳排放的影响,具有至关重要的意义。本文阐述了火山区温室气体释放的主要特征及调查方法,并以意大利埃特纳火山为例,指出可以使用地统计学原理对火山区CO₂气体采样数据进行插值模拟。最后,本文分析了加入协变量进行协克里格插值模拟的可行性,并与普通克里格插值法的模拟结果进行比较。结果表明:火山区CO₂释放通量与火山区土壤温度之间具有相关性,引入土壤温度进行协克里格插值模拟,可以优化模拟结果的误差指标。本研究将为定量评价火山活动对气候变化的影响以及预警火山灾害提供重要依据。

关键词

火山活动 / 温室气体 / 碳排放 / 随机模拟 / 克里格插值法

Key words

volcanic activity / greenhouse gas / carbon emission / stochastic simulation / Kriging interpolation method

0 引言

由于全球温室效应加剧,资源与环境领域已成为越来越受国际关注的焦点^[1-2]。21世纪以来,与“碳中和”相关的国际气候问题已然成为大国之间博弈的手段与桥梁。在节能减排的国际大背景下,我国相继提出了要于2030年实现“碳达峰”、2060年实现“碳中和”的战略目标。为了保障我国“双碳”计划的顺利实施,在国际气候谈判中不受制于人,探查我国不同来源的碳排放形式及其规模成为当务之急。需要指出的是,当今地球大气圈温室气体含量的增加是由自然因素和人为因素共同导致的^[1],其中自然因素如火山活动、动植物呼吸作用等引起的碳排放不可忽视。而火山活动,因其范围广、强度大,成为自然因素中最重要的组成部分之一^[2]。火山区温室气体的释放对全球气候有着重要的影响。因此,有必要探究火山区温室气体释放规律,并分析计算火山区温室气体释放通量,以期为定量评估火山活动对气候变化的影响提供重要依据。

对火山区温室气体释放通量的研究首先基于野外地质采样和数据分析。然而,采样点往往是数量有限的离散单元,而期望得到的结果却是区域性的。如何基于采样点数据模拟计算区域内未采样点数据,得到区域整体特征,是当前国内外研究的重点和难点。克里格(Kriging)插值法作为地统计学的核心算法,是建立在半变异函数理论上的区域化变量无偏最优估计^[3]。与普通插值法相比,克里格插值法考虑了各样点间的空间位置分布关系,使其估计结果更加准确,是空间统计分析方法的重要手段之一^[4]。

克里格插值法最初用于矿产资源储量估计,如今已推广至地质学众多领域^[5-6],但在我国火山温室气体释放领域的调查研究中,相关应用与讨论较少。因此,本文在简述我国火山温室气体释放特征与研究状况的基础上,以意大利埃特纳火山为例,基于地统计学理论与方法,探讨了使用普通克里格插值法进行火山区温室气体释放通量模拟的可行性。最后,本文引入土壤温度及气体温度数据作为协变量,使用协克里格法进行插值模拟,并比较了不同插值方法所产生的模型差异。

1 火山温室气体释放研究

1.1 火山温室气体释放特征

火山活动是自然碳源中最主要的组成部分^[7-8],是地质源碳排放和地球深部碳循环的主要途径之一^[9-10]。随着技术设备的进步和研究范围的扩大,全球火山区温室气体释放通量的监测数据不断增加^{[11⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-20]},各国学者对于火山温室气体的重视程度也日益提升。大规模的火山喷发能够贯穿地球系统的不同圈层,促进各圈层间的物质交换与循环^[2]。火山喷发时,以喷气柱的形式向大气中快速释放大量温室气体^[21],可导致区域甚至全球尺度上的气候与环境变化^[22]。间歇期火山虽相对稳定,但地下深部高温岩浆房的烘烤作用^[2],导致火山在一定区域范围内持续向大气圈释放温室气体,释放形式主要包括喷气孔、温泉和土壤微渗漏等^[23]。与喷发期的快速释放不同,火山区在间歇期的温室气体释放过程较为缓慢,但其持续时间长、释放面积大,使得火山在间歇期的温室气体释放通量同样巨大^[24]。例如,美国黄石公园火山区每天向大气中释放的CO₂量高达400~500 t^[25],超过其喷发期的温室气体释放规模^[22]。因此,对于火山间歇期的温室气体释放研究也引起了国内外研究者的广泛关注。

另外,相比喷发期,火山在间歇期的温室气体释放过程更加平稳。开展间歇期火山的温室气体释放研究难度低,相关野外采样工作较为安全,获得的采样样品代表性强。在进行后续分析计算时,其模拟预测结果的可信度也更高。加之我国大陆新生代火山均处于间歇期^[9],故开展间歇期火山温室气体释放研究具有更加直接的现实意义。本研究也将工作重心置于间歇期火山温室气体释放通量的模拟计算上,旨在为我国“碳中和”计划提供数据与方法支持。

1.2 火山温室气体释放通量调查方法

间歇期火山的温室气体释放主要包括喷气孔、温泉和土壤微渗漏等形式。针对不同的释放形式,目前国际上有着一套较为通用的野外采样方法^[2,9,21]。

对于通过喷气孔释放的CO₂,常采用飞行器法测量其释放通量^[9]。具体方法如下:在小型采样飞行器上安装非分散红外CO₂分析仪,通过水平方向的移动测量喷气孔气柱内外的CO₂浓度差异,通过垂直方向的移动测量喷气孔内CO₂浓度随高度的变化趋势,得到采样点单位面积上的CO₂浓度。之后,结合测量时的风速,计算得到该喷气孔的CO₂释放通量^[26-27]。

火山区温泉中释放的CO₂通常包括溶解态和气态两种形式^[21]。溶解在水中的CO₂通常以 {\mathrm{HCO}}_3^{-}的形式存在,通过测量火山温泉中 {\mathrm{HCO}}_3^{-}浓度来计算其CO₂释放通量^[9,28]。气态CO₂浓度测量常使用气体化学法:利用数字皂膜流量计测量温泉气体的释放通量^[21],并结合温泉气体中的CO₂含量和温泉数量等资料,计算以气泡形式释放至大气圈中的CO₂通量^[29]。

对于以土壤微渗漏形式释放的CO₂,目前最常用的采样方法为密闭气室法^[30]。其主要原理和使用方法可简述如下:持续记录密闭气室内CO₂浓度值,得出气室内CO₂扩散速率变化规律,并进一步计算该采样点土壤微渗漏CO₂释放通量^[30]。在实际测量时,将环形气室底部置于采样点土壤表面,压实气室边缘处的土壤以形成密闭气室。CO₂通过微渗漏从气室底部土壤进入密闭气室,并在其中累积,使得气室内CO₂浓度升高。气室内积累的气体通过气室顶部的导气管进入CO₂传感器,之后通过出气管返回气室。在此循环往复的过程中,CO₂传感器可以记录不同时间节点下CO₂浓度的变化,并通过后续计算,得到该点土壤微渗漏CO₂释放通量^[9]。

另外,国际上常使用同位素分析法进行火山温室气体的来源示踪^[2,31]。例如CO₂-³He-⁴He三角图解法^[32]和CO₂-³He-δ¹³C图解法等^[33],目前在该领域广泛应用,取得了较为理想的效果,为示踪火山深部岩浆房的岩浆脱气过程提供了依据^[9,34]。

1.3 我国火山温室气体释放研究现状

与国外火山温室气体释放领域的研究程度相比,虽然我国火山温室气体释放研究起步较晚,但众多研究者已在我国主要的新生代火山区开展了温室气体采样工作,对各火山区的温室气体释放状况与特点进行了分析讨论^{[29,35⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-45]}。

我国幅员辽阔,新生代火山区分布广泛,总面积约1.4×10⁵ km^{2 [2]},相当于欧洲火山地热区总面积的3倍之多^[24]。我国新生代火山区主要分布于东部地区(特别是东北地区)和青藏高原及其周边地区^[2,35],在构造背景上分别受太平洋构造域和特提斯构造域影响^[36-37]。我国大陆活火山全部处于间歇期^[2],部分火山区地下仍存有高温岩浆房^[9,38-39],区内水热活动明显^[36-37],向大气圈源源不断地释放温室气体。目前,国际火山学术界一致认为,具有巨量温室气体释放规模的火山区通常具有以下特征^[40⇓-42]:(1)人类历史时期有过大规模火山喷发;(2)火山区地下深部存在活动岩浆房;(3)区内水热活动明显。我国长白山火山区、五大连池和腾冲火山区等,由于存在明确喷发时间的史料记载^[2]而备受国内外火山学界关注。

目前,我国已在国内主要火山区域开展过离散采样与调查^[43],研究地点以长白山火山区和腾冲火山区为主^[37,44],但仍有部分区域研究密度较低、数据匮乏。我国间歇期火山的温室气体释放形式主要包括土壤微渗漏释放和温泉释放,以土壤微渗漏释放为主^[9]。所释放的气体主要成分为CO₂(通常占80% 以上),其他气体成分包括CH₄、SO₂和H₂S等^[2,9,21]。现有估算结果表明:我国大陆新生代火山区每年向大气圈释放的温室气体总量接近10⁷ t级别^[9],相当于全球火山活动所释放温室气体总量的6%左右^[20,45]。其中,以长白山和五大连池为代表的太平洋构造域火山区温室气体释放通量低于以腾冲火山区为代表的特提斯构造域火山区^[9,21,35]。

在我国火山温室气体释放研究中,与地统计学相结合的探索与讨论较少。实际上,无论是获取更为真实的火山温室气体释放状态,还是对火山活动进行监测预测,都需要区域性、连续性的火山温室气体释放数据。只通过实地采样的方法进行调查,工作量庞大且部分区域危险程度高,整体工作难以开展。而应用地统计学原理与方法,通过已有数据对区域内温室气体释放通量进行模拟预测,构建火山区温室气体释放模型,可实现对区域内未采样点温室气体释放通量的近似模拟,是火山区温室气体释放研究的新思路、新方法。

2 随机模拟

2.1 数据来源

本文以2016年意大利埃特纳火山区的温室气体通量测试数据作为研究对象。与部分火山温室气体释放调查仅采集气体释放通量数据不同,研究者于2016年对意大利埃特纳火山区所进行的温室气体调查中,除采集了土壤微渗漏CO₂释放通量数据外,还同步采集了各测点的土壤温度数据和气体温度数据^[46]。通过使用以上3组数据参与模型构建与分析,可在构建该地区CO₂释放通量预测模型的同时,分析不同参数对模型的影响。另外,在野外采样中土壤温度和气体温度获取方式较简单,具有普遍性及推广意义。因此,这些数据满足模型构建所需的基本数据要求。

本文对原始数据进行预处理,选取了位于山顶部分300个测点的数据参与模拟。所选的300个测点分布较为均匀,整体呈近似圆形构成模拟区,示意图如图1所示。

本文选择土壤微渗漏CO₂释放通量作为主变量,进行普通克里格插值法模型构建;选择土壤温度数据和气体温度数据作为协变量,分别进行协克里格插值法模型构建。

2.2 模拟方法

2.2.1 普通克里格插值法

普通克里格插值法是克里格插值法中最基本、最常用的方法,是使用单一主变量所进行的线性无偏最优估计^[4]。本文主变量为土壤微渗漏CO₂释放通量。利用已知采样点的主变量值和各点之间的空间结构关系,对空间内其他点位的CO₂释放通量进行模拟预测,预测公式为

(1)$Z^*\left(X_0\right)=\sum_{i=1}^n \lambda_i Z\left(X_i\right)$

式中:Z^*(X₀)与Z(X_i)分别为未知点的CO₂释放通量预测值和已知测点的CO₂释放通量实际值, g·m^-2·d^-1;X为点位间的坐标信息;λ_i为各点位的权重;n为参与模拟的采样点个数,本文为300。应用最小二乘法原理,求解使得各采样点实测值与模拟值离差平方和最小的一组权重值,便可得到普通克里格插值法预测公式,实现对区域内未采样点CO₂释放通量的模拟计算。

2.2.2 协克里格插值法

协克里格插值法是基于普通克里格插值法的延伸方法,在考虑主变量空间结构关系的同时,引入协变量进行模拟预测^[5]。若引入的协变量与主变量之间有较强的相关关系,则所进行的协克里格插值模拟结果将优于普通克里格插值模拟结果。本文中,选取土壤温度和气体温度作为协变量,分别进行协克里格插值模拟。利用主变量、协变量数据和各点位空间结构关系,对空间内未采样点的CO₂释放通量进行模拟预测,预测公式为

(2)$Z_1^*\left(X_0\right)=\sum_{i=1}^n \lambda_{i 1} Z_1\left(X_{i 1}\right)+\sum_{i=1}^m \lambda_{i 2} Z_2\left(X_{i 2}\right)$

式中: Z_1^{\mathrm{*}}(X₀)为未知点的CO₂释放通量预测值,g·m^-2·d^-1;Z₁为主变量,本文中为土壤微渗漏CO₂释放通量,g·m^-2·d^-1;Z₂为协变量,本文中为土壤温度或气体温度,℃;λ_i1和λ_i2分别为主、协变量各点位的权重;n和m为主、协变量参与模拟的实测值个数。应用最小二乘法原理,求解使得各采样点实测值与模拟值离差平方和最小的一组权重值,便可得到协克里格插值法预测公式,实现对区域内未采样点CO₂释放通量的模拟计算。

2.3 结果与分析

2.3.1 普通克里格插值结果

克里格插值法要求参与模拟的数据近似服从正态分布。首先,应对主变量数据进行分布检验。若数据不服从正态分布,则需要对其进行形式转换。

本文中,土壤微渗漏CO₂释放通量数据不符合正态分布,需对其进行变形处理。在进行对数变换后,发现其近似服从正态分布,相应数据分布直方图和QQPlot分布图如图2、3所示。

由直方图(图2)可见,该组样本数据近乎符合正态分布;由QQPlot图(图3)可见,数据点基本沿直线分布,说明该组样本数据遵从正态分布规律。因此,样本数据满足使用克里格插值法的前提条件,可以对该组数据进行插值模拟。

使用普通克里格插值法进行插值模拟后,得到该区域土壤微渗漏CO₂释放通量模拟预测图(图4)及误差分析(表1)。

普通克里格插值结果误差在可接受范围之内,说明使用克里格插值法进行火山温室气体释放通量预测的方法可行,其构建的模型可计算模拟区内未测量点的温室气体释放通量,进而得到模拟区内温室气体释放整体状况。普通克里格插值法的模型仍可进行优化,引入与主变量具有相关性的协变量参数进行协克里格插值,可减小误差。

2.3.2 协克里格插值结果

通过对所选数据进行相关分析可知:土壤微渗漏CO₂释放通量与土壤温度之间的相关系数约为0.57,具有相关性;土壤微渗漏CO₂释放通量与气体温度之间的相关系数约为0.11,几乎不存在相关关系。故本文重点考虑使用土壤温度作为协变量,进行协克里格插值模拟。为更加直观地进行对比,亦使用气体温度作为协变量进行了相应分析。

分别进行协克里格插值模拟后,得到的区域土壤微渗漏CO₂释放通量模拟预测结果分别如图5、6所示,误差分析如表2所示。

由误差分析可知:与普通克里格插值法相比,使用土壤温度作为协变量后,插值模拟结果的标准平均误差值更接近于0,均方根误差值更小,标准均方根误差值更接近于1,表明各项误差指标均得到优化,预测图更接近实际。相反,使用气体温度数据作为协变量后,插值模拟结果的各项误差均增大。

以上结果表明,引入与主变量相关性较强的协变量进行协克里格插值模拟,可以优化普通克里格插值法的误差指标,提高模型预测的准确性。针对火山温室气体释放研究,野外调查人员在进行温室气体释放通量的实地采样时,可以考虑同时采集测点的土壤温度信息,为后续实现更精准的数据分析工作奠定基础。

3 结论与展望

(1)为实现对火山区未采样区域温室气体释放通量的模拟预测,本文使用普通克里格插值法进行火山温室气体释放通量模型构建。在可接受的误差范围内绘制了克里格预测图,实现了对调查区域内未测量点的插值模拟,提供了一种研究火山温室气体释放通量的新方法。

(2)本文将土壤温度和气体温度作为协变量,研究了进行协克里格插值模拟的可行性,并与普通克里格插值模型进行比较。结果表明:引入土壤温度数据的协克里格插值结果,其误差指标优于普通克里格插值法。研究人员在进行火山温室气体释放通量的实地采样时,可以考虑同时采集土壤温度数据,为后续实现更精准的数据分析工作奠定基础。

(3)实际上,影响火山温室气体释放通量的因素远不止火山土壤温度这一项,其他因素如渗透率、土壤压力和微生物等均会对温室气体释放状况造成影响。若要得到更贴近实际的插值模拟结果,则需要考虑多个因素的共同影响。在后续研究中,拟尝试进行多因素的协同研究与模拟,比较不同因素的影响程度,以建立火山温室气体释放通量的模拟系统,构建更真实可靠的火山温室气体释放模型,进一步实现对火山温室气体释放通量的模拟预测。

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基金资助

国家自然科学基金项目(41503016)

国家外国专家项目(G2022029012L)

湖南省自然科学基金项目(2023JJ30505)

衡阳市指导性计划项目(202121014464)

南华大学人才项目(2018XQD22)