CPEC-AZ闭路涡度相关法通量观测系统

CPEC-AZ闭路涡度相关法通量观测系统

一、 应用

目前，开路涡动相关法通量观测系统无法同步测量多种气体，其精度也无法满足痕量温室气体的测量要求，在雨雪天气数据不连续问题给科研带来很多困扰。

CPEC-AZ 闭路涡度相关法通量系统采用中红外技术，测量频率可达10Hz，检测限达ppt级，可用于野外实时测量痕量气体。

此外，还能同步测量多种含碳、含氮痕量气体及气体同位素，如：

CO/CO₂/CH₄/C₂H₄/HCHO/CHOOH/COS/SO₂

NO/N₂O/NO₂/NH₃/ HONO/ HNO₃

¹³C-CO₂, ¹⁸O-CO₂, ¹⁷O-CO_2，HOD, 

¹⁵N¹⁴N¹⁶O（δ¹⁵N^α）, ¹⁴N¹⁵N¹⁶O（δ¹⁵N^β）

二、系统组成

该系统主机Aerodyne闭路气体分析仪采用可调谐红外激光直接吸收光谱（TILDAS）技术， 用中红外激光探测气体分子，独有的像散型多光程吸收池技术有效测量光程高达210m，有效提高气体分子的测量精度，达ppt级。

该系统由Aerodyne闭路式气体分析仪、超声风速采集模块、数据整合软件、恒温机箱、采气管路等组成。

超声风速采集模块可与已有的开路涡度相关法通量观测系统共用，在超声风速仪中心设置采样管，即可完成原有的开路涡度相关法系统升级，同步观测多种气体。

农田生态系统闭路涡度相关法含氮气体通量观测

三、系统优势

1、该系统采用的Aerodyne闭路气体分析仪对痕量气体测量频率可达10Hz,能完全满足涡度相关法通量观测条件，测量精度高，检测限可达ppt级。各种气体测量精度见技术指标。 

2、该系统可同步观测多种气体，部分气体分子组合如下（可根据科研需要，提供近百种气体组合）：

1）N₂O、CO₂、NH₃、O₃、CO、H₂O

2) N₂O、CO₂、CH₄、COS、CO、H₂O

3）NO、NO₂、H₂O

4) N₂O、CO₂、CH₄、CO、C₂H₆、H₂O 

5) HONO、HNO₃、H₂O

6) HCN、HCl

7）CH₄、C₂H₆、C₃H₈

采用活性钝化系统后，NH3测量的时间常数和高频通量变化（时间常数更快）

3、该系统还可同步观测多种气体同位素，部分气体同位素组合如下：

1）N₂O、¹⁵N¹⁴N¹⁶O、 ¹⁴N¹⁵N¹⁶O、 ¹⁴N¹⁴N¹⁸O      

2）CH₄ ¹³CH4、CH₃D                   

3）CO₂、¹³C-CO₂、¹⁷O-CO₂、¹⁸O-CO₂ 

4、专利技术活性钝化装置可显著提高粘性气体分子如NH₃、HONO等的响应时间，实现粘性气体和非粘性气体的同步观测，如 N₂O、CO₂、NH₃、O₃、CO、H₂O

同步观测。

5、惯性颗粒物分离装置，能有效减少颗粒物附着，确保两次采样不会交叉污染。

 6、该系统能够实现自动全量程校准和零点校准。

四、技术指标

该系统可测量气体分子、1s及100s测量精度、相应时间如下：

常见痕量温室气体：

含碳气体同位素：

 含氮气体同位素：

四、应用案列

1、意大利北部土壤农田氮施加控制试验，通过CPEC方法探究氨态氮（NH₄⁺-N\NH₃）内部转化过程及氨气（NH₃）恢复性流失^【1】。

兰德里亚诺Landriano 2009（SI-09）和2011（SI-11）试验期间，通过涡流协方差系统（EC）和反向拉格朗日随机模型（bLS）估算NH₃累积排放和归一化损失

结果表明：氮施加实验后24和30 h。的最高NH₃排放水平为138.3 mg/m-²s-¹和243.5mg/m-²s-¹，NH₄-N的总损失比例在两次扩散实验后7天分别为19.4％ 和28.5％。

2、中国亚热带典型的蔬菜田利用CPEC方法同时测量一氧化二氮（N₂O），甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂）通量^【2】。

N₂O，CH₄和CO₂（实心圆）和气温（空心圆）的频率加权归一化共谱）以及相应的高频共谱传递函数

结果表明： 通过Aerodyne双激光分析仪的检测结果计算出N₂O的中值精度（1σ）为0.14 nmol/mol^-1 ，在野外条件下，采样频率为10 Hz时，CH₄的摩尔浓度为3.3 nmol/mol，CO₂的摩尔浓度为0.36μmol/mol。

 3、美国马萨诸塞州温带森林中生态系统-大气二氧化碳净交换（NEE）的同位素组份（即¹²C¹⁶O₂、¹³C¹⁶O₂和¹⁸O¹²C¹⁶O的净交换量）CPEC方法测量^【3】。 

通过EC(实线)和EC/Flask(虚线)估算的6月（橙色）7月（绿色）、8月（蓝色）和9月（紫色）的δ¹³C日变化。EC循环已平滑至2 h，并且仅展示了CO₂通量小于-2 mol m^-2 s^-1的时间。

NEE中δ¹⁸O6月（橙色）7月（绿色）、8月（蓝色）和9月（紫色）的δ¹³C日变化，EC结果已平滑至2 h

结果表明： NEE中的¹³C组份表现出日变化的趋势，可能反映了光合作用的扩散和生化限制之间的平衡转移。白天，¹⁸O同位素通量表现出与蒸发的¹⁸O叶片水富集有关的特征。同位素通量和NEE中的¹³C组份都有明显的季节性变化，NEE中的¹⁸O组份逐月更一致。

4、瑞士中部集约化经营草地采用量子级联激光吸收光谱法（QCLAS）对N₂O首次同位素表征。

标气（红色）和表层（黑色）N₂O摩尔分数（顶部）和同位素值（三个底部面板）在原为实验期间的大气表层测量

结果表明：同步涡度协方差N₂O通量测量确定了土壤中N₂O的通量平均同位素特征，集约经营草地N₂O的通量平均同位素组成SP、δ¹⁵N^buk和δ¹⁸O分别为6.9±4.3、-17.4±6.2和27.4±3.6‰。

5、美国哈佛森林温带落叶林通过羰基硫的吸收确立了林冠层气孔导度，蒸腾和蒸发的动态变化。

冠层OCS吸收和初级生产总值（GPP）随着叶相关吸收（LRU）和光和有效辐射（PAR）的综

冠层OCS吸收和初级生产总值（GPP）随着叶相关吸收（LRU）和光和有效辐射（PAR）

结果表明：在这个温带的落叶森林林地中，基于土壤中OSC含量预测土壤始终是羰基硫的汇。OCS通量测量可以作为探测其他生态系统中的气孔导度的通用工具，并且可在叶片尺度和实验室研究中用作探测气孔导度的通用工具。

参考文献：

【1】Site selective real-time measurements of atmospheric N2O isotopomers by laser spectroscopy，J. Mohn , B. Tuzson , A. Manninen , N. Yoshida , S. Toyoda , W. A. Brand , L. Emmenegger.,Atmospheric Measurement Techniques , 5, 1601–1609, 2012

【2】Applicability of a gas analyzer with dual quantum cascade lasers for simultaneous measurements of N₂O, CH₄ and CO₂ fluxes from cropland using the eddy covariance technique, Dong Wang, Kai Wang a, , Xunhua Zheng  , Klaus Butterbach-Bahl  , Eugenio Díaz-Pinés , Han Chen., Science of the Total Environment 729 (2020) 138784  

【3】Long-term eddy covariance measurements of the isotopic composition of the ecosystem–atmosphere exchange of CO₂ in a temperate forest R. Wehr, J.W. Munger b, D.D. Nelsonc, J.B. McManus, M.S. Zahniser, S.C. Wofsy, S.R. Saleska., Agricultural and Forest Meteorology181(2013)69-84.

【4】ACRP Report 7: Aircraft and Airport-Related Hazardous Air Pollutants: Research Needs and Analysis, E. Wood, S. Herndon, R. C. Miake-Lye, D. Nelson, M. Seeley,  65p. (2008).  Airport Cooperative Research Program, Transportation Research Board, Washington, DC

【5】Real-time measurements of SO₂ H₂CO, and CH₄ emissions from in-use curbside passenger buses in New York City  using a chase vehicle, S.C. Herndon, J.H. Shorter, M.S. Zahniser, J. Wormhoudt, D.D. Nelson, K.L. Demerjian, C.E. Kolb, Environ. Sci. Technol. 39, 7984-7990, 2005.

【6】Real-time measurements of nitrogen oxide emissions from in-use New York City transit buses using a chase vehicle, J.H. Shorter, S. Herndon, M.S. Zahniser, D.D. Nelson, J. Wormhoudt, K.L. Demerjian, C.E. Kolb, Environ. Sci. Technol. 39, 7991-8000, 2005.

【7】NO and NO₂ Emission Ratios Measured from In-Use Commercial Aircraft during Taxi and Takeoff, S.C. Herndon, J.H. Shorter, M.S. Zahniser, D.D. Nelson, C.E. Kolb, Environ. Sci. Technol., 38, 6078-6084, 2004.

【8】Cross road and mobile tunable infrared laser measurements of nitrous oxide emissions from motor vehicles, J.L. Jimenez, J.B. McManus, J.H. Shorter, D.D. Nelson, M.S. Zahniser, M. Koplow, G.J. McRae, and C.E. Kolb, Chemosphere - Global Change Science, 2, 397-412 (1999).