降雨对北方针阔混交林内外臭氧与二氧化硫垂直分布的影响机制研究

这篇研究通过42米高塔的多年观测数据(2009-2013)，系统分析了降雨对北方针阔混交林(O3)和(SO2)垂直分布的影响。研究发现降雨导致SO2浓度显著降低40-50%，而O3在日间主要因光化学反应减弱而下降10-20%。研究创新性地评估了冲刷(washout)、光化学(photochemistry)、沉降(deposition)和垂直输送(vertical transport)四个关键过程的相对贡献。

　　

Highlight

本研究亮点在于首次系统量化了降雨对北方针阔混交林O₃和SO₂垂直分布的影响，并阐明了四个关键调控过程的相对重要性。

研究区域、研究时段与数据描述

加拿大安大略省南部的Borden森林研究站(44°19′N, 79°56′W)是一个典型的北方针阔混交过渡林。平均冠层高度约22米，夏季叶面积指数(LAI)峰值达4.6 m² m^-2。研究采用2009-2013年42米观测塔的连续监测数据。

降雨事件

研究期间年均降水量923mm，筛选出194次持续4小时以上的降雨事件。其中日间降雨占57%，夜间占43%。超过50%的降雨持续4-5小时，春季和秋季降雨持续时间最长。

降雨对森林O₃和SO₂垂直分布的影响

从三个维度分析发现：1)降雨开始后4小时内，O₃普遍下降2-6ppb(10-20%)；2)降雨峰值时段SO₂降幅达0.3-0.5ppb(40-50%)；3)日间O₃下降主要发生在冠层以上，而夜间底层O₃可能因下沉气流而升高。

影响气体混合比的降雨作用机制

图7总结了四个关键过程的作用：1)SO₂的高溶解度导致显著冲刷效应；2)日间O₃下降主要源于光化学反应减弱；3)夜间湿沉降增强，而日间气孔与非气孔沉降相互抵消；4)上升气流主导的垂直输送加剧O₃消耗，而下沉气流则可能补充O₃。

气体混合比与平均值的偏差

虽然整体呈现下降趋势，但约20-30%的个例显示O₃浓度升高，主要发生在夜间底层，这与热带森林的观测结果形成鲜明对比。

结论

基于194次降雨事件分析表明：1)SO₂的显著降低主要归因于其高溶解度；2)日间O₃下降主要受光化学反应减弱驱动；3)夜间湿沉降增强；4)垂直输送方向决定O₃变化趋势。这些发现为理解北方针叶林大气化学过程提供了新见解。