CPEC-AZ闭路涡度相关法通量观测系统

目前，开路涡动相关系统已广泛于应用于各类生态系统-大气间的二氧化碳（CO₂）和甲烷（CH₄）通量的测量，能够适应复杂的样地环境，但仍然存在气体检测种类单一，测量精度无法满足痕量气体，雨雪天气数据不连续等问题。

CPEC-AZ闭路式涡度通量系统因设计原理不同，能对环境中多种痕量温室气体及其同位素气体进行同时测量。测量检测限低，精度可达ppt级，测量频率可达10Hz,能够进行高频的持续观测。可观测气体种类多，并能够满足多种气体同时测量的需要，且限度地避免突发天气对仪器的干扰。

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-CO₂，HOD, 

¹⁵N¹⁴N¹⁶O（δ¹⁵N^α）, ¹⁴N¹⁵N¹⁶O（δ¹⁵N^β）

 

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，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。

系统优势    
01    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。

02    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）

03   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    

04  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。

05  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。

06   该系统能够实现自动全量程校准和零点校准。

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：

应用案例

01  
    
    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。

结果表明：氮施加实验后24和30h的NH₃排放水平为138.3μg m^-2s^-1和243.5μg 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％。

02  

    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。

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 ，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。

03    
 
      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2h，并且仅展示了CO₂通量小于-2 mol m^-2 s^-1的时间。

NEE中δ¹⁸O 6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2h

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。

04

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‰。

05

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）的综合月变化

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）的综合昼夜循环

结果表明：在这个温带的落叶森林林地中，基于土壤中OCS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

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【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.

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END