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                        CPEC-AZ閉路渦度相關法通量觀測系統

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                        目前,開路渦動相關系統已廣泛于應用于各類生態系統-大氣間的二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)通量的測量,能夠適應復雜的樣地環境,但仍然存在氣體檢測種類單一,測量精度無法滿足痕量氣體,雨雪天氣數據不連續等問題。

                        CPEC-AZ閉路式渦度通量系統因設計原理不同,能對環境中多種痕量溫室氣體及其同位素氣體進行同時測量。測量檢測限低,精度可達ppt級,測量頻率可達10Hz,能夠進行高頻的持續觀測??捎^測氣體種類多,并能夠滿足多種氣體同時測量的需要,且最大限度地避免突發天氣對儀器的干擾。



                        此外,還能同步測量多種含碳、含氮痕量氣體及氣體同位素,如:

                         CO/CO2/CH4/C2H4/HCHO/CHOOH/COS/SO2

                        NO/N2O/NO2/NH3/ HONO/ HNO3

                         13C-CO2, 18O-CO2, 17O-CO2,HOD, 

                        15N14N16O(δ15Nα), 14N15N16O(δ15Nβ

                         

                        農田生態系統閉路渦度相關法含氮氣體通量觀測


                        系統組成


                        該系統主機Aerodyne閉路氣體分析儀采用可調諧紅外激光直接吸收光譜(TILDAS)技術, 用中紅外激光探測氣體分子,獨有的像散型多光程吸收池技術有效測量光程高達210m,有效提高氣體分子的測量精度,達ppt級。

                        該系統由Aerodyne閉路式氣體分析儀、超聲風速采集模塊、數據整合軟件、恒溫機箱、采氣管路等組成。

                        超聲風速采集模塊可與已有的開路渦度相關法通量觀測系統共用,在超聲風速儀中心設置采樣管,即可完成原有的開路渦度相關法系統升級,同步觀測多種氣體。



                        Aerodyne閉路式氣體分析儀內部結構圖


                        系統優勢    
                        01    該系統采用的Aerodyne閉路氣體分析儀對痕量氣體測量頻率可達10Hz,能完全滿足渦度相關法通量觀測條件,測量精度高,檢測限可達ppt級。各種氣體測量精度見技術指標。

                        02    該系統可同步觀測多種氣體,部分氣體分子組合如下(可根據科研需要,提供近百種氣體組合):

                                                                    1、N2O、CO2、NH3、O3、CO、H2O

                                                                    2、N2O、CO2、CH4、COS、CO、H2O

                                                                    3、NO、NO2、H2O

                                                                    4、N2O、CO2、CH4、CO、C2H6、H2

                                                                    5、HONO、HNO3、H2O

                                                                    6、HCN、HCl

                                                                    7、CH4、C2H6、C3H8

                        采用活性鈍化系統后,NH3測量的時間常數和高頻通量變化(時間常數更快)



                        03   
                        該系統還可同步觀測多種氣體同位素,部分氣體同位素組合如下:

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

                                                                                  2、CH4、 13CH4、CH3

                                                                                  3、CO2、13C-CO2、17O-CO2、18O-CO2    


                        04  
                        專利技術活性鈍化裝置可顯著提高粘性氣體分子如NH3、HONO等的響應時間,實現粘性氣體和非粘性氣體的同步觀測,如 N2O、CO2、NH3、O3、CO、H2O同步觀測。

                        05  慣性顆粒物分離裝置,能有效減少顆粒物附著,確保兩次采樣不會交叉污染。

                        06   該系統能夠實現自動全量程校準和零點校準。


                        技術指標   該系統可測量氣體分子、1s及100s測量精度、相應時間如下:


                        常見痕量溫室氣體

                        參數

                        N2O

                        CH4

                        CO2

                        NH3

                        H2O

                        精度 1S

                        0.03ppb

                        0.1ppb

                        100ppb

                        40ppt

                        10ppm

                        精度 100S

                        0.01ppb

                        0.25ppb

                        25ppb

                        10ppt

                        5ppm

                        測量范圍

                        0-10000ppb

                        0-10000ppb

                        0-5000ppm

                        0-10000ppb

                        0-5000ppm

                        響應時間

                        1-10HZ可選

                        1-10HZ可選

                        1-10HZ可選

                        1-10HZ可選

                        1-10HZ可選

                        參數

                        COS

                        NO

                        NO2

                        HONO

                        精度 1S

                        0.005ppb

                        0.15ppb

                        0.03ppb

                        0.21ppb

                        精度 100S

                        0.002ppb

                        0.15ppb

                        0.01ppb

                        75ppt

                        測量范圍

                        0-5000ppm

                        0-5000ppm

                        0-5000ppm

                        0-5000ppm

                        響應時間

                        1-10HZ可選

                        1-10HZ可選

                        1-10HZ可選

                        1-10HZ可選



                        含碳氣體同位素:

                        參數

                        δ13CH4

                        δCH3D

                        δ13CH4

                        CO2

                        δ13C

                        δ18O

                        精度 1S

                        3‰

                        30‰

                        1‰

                        25ppb

                        0.1‰

                        0.03‰

                        精度 100S

                        1‰

                        30‰

                        1‰

                        10ppb

                        0.03‰

                        0.03‰

                        測量范圍

                        3‰

                        30‰

                        1‰

                        25ppb

                        0.1‰

                        0.1‰

                        響應時間

                        1-10HZ可選

                        1-10HZ可選

                        1-10HZ可選

                        1-10HZ可選

                        1-10HZ可選

                        1-10HZ可選



                        含氮氣體同位素:

                        參數

                        NH3

                        δ15N14N16O(δ15Nα)

                        δ14N15N16O(δ15Nβ)

                        δ14N14N18O(δ18O)

                        精度 1S

                        40ppt

                        0.1‰

                        0.03‰

                        8‰

                        精度 100S

                        10ppt

                        1‰

                        1‰

                        2‰

                        測量范圍

                        0-10000ppb

                        300~30000ppb

                        300~30000ppb

                        300~30000ppb

                        響應時間

                        1-10HZ可選

                        1-10HZ可選

                        1-10HZ可選

                        1-10HZ可選


                        應用案例


                        01  
                            
                            
                        意大利北部土壤農田氮施加控制試驗,通過CPEC方法探究氨態氮(NH4+-N\NH3)內部轉化過程及氨氣(NH3)恢復性流失。


                        蘭德里亞諾Landriano     2009(SI-09)和2011(SI-11)試驗期間,通過渦流協方差系統(EC)和反向拉格朗日隨機模型(bLS)估算NH3累積排放和歸一化損失   


                        結果表明:氮施加實驗后24和30h的最高NH3排放水平為138.3μg m-2s-1和243.5μg m-2s-1,NH4-N的總損失比例在兩次擴散實驗后7天分別為19.4% 和28.5%。

                        02  

                            
                        中國亞熱帶典型的蔬菜田利用CPEC方法同時測量一氧化二氮(N2O),甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)通量。

                        N2O,CH4和CO2(實心圓)和氣溫(空心圓)的頻率加權歸一化共譜)以及相應的高頻共譜傳遞函數

                        結果表明: 通過Aerodyne雙激光分析儀的檢測結果計算出N2O的中值精度(1σ)為0.14 nmol/mol ,在野外條件下,采樣頻率為10 Hz時,CH4的摩爾濃度為3.3 nmol/mol,CO2的摩爾濃度為0.36μmol/mol。


                        03    
                         
                             
                        美國馬薩諸塞州溫帶森林中生態系統-大氣二氧化碳凈交換(NEE)的同位素組份(即12C16O2、13C16O218O12C16O的凈交換量)CPEC方法測量【3】。

                        通過EC(實線)和EC/Flask(虛線)估算的6月(橙色)7月(綠色)、8月(藍色)和9月(紫色)的δ13C日變化。EC循環已平滑至2h,并且僅展示了CO2通量小于-2 mol m-2 s-1的時間。

                        NEE中δ18O 6月(橙色)7月(綠色)、8月(藍色)和9月(紫色)的δ13C日變化,EC結果已平滑至2h

                        結果表明: NEE中的13C組份表現出日變化的趨勢,可能反映了光合作用的擴散和生化限制之間的平衡轉移。白天,18O同位素通量表現出與蒸發的18O葉片水富集有關的特征。同位素通量和NEE中的13C組份都有明顯的季節性變化,NEE中的18O組份逐月更一致。


                        04


                        瑞士中部集約化經營草地采用量子級聯激光吸收光譜法(QCLAS)對N2O首次同位素表征。

                        標氣(紅色)和表層(黑色)N2O摩爾分數(頂部)和同位素值(三個底部面板)在原為實驗期間的大氣表層測量

                        結果表明:同步渦度協方差N2O通量測量確定了土壤中N2O的通量平均同位素特征,集約經營草地N2O的通量平均同位素組成SP、δ15Nbuk和δ18O分別為6.9±4.3‰、-17.4±6.2‰和27.4±3.6‰。

                        05


                        美國哈佛森林溫帶落葉林通過羰基硫的吸收確立了林冠層氣孔導度,蒸騰和蒸發的動態變化。

                        冠層OCS吸收和初級生產總值(GPP)隨著葉相關吸收(LRU)和光和有效輻射(PAR)的綜合月變化

                        冠層OCS吸收和初級生產總值(GPP)隨著葉相關吸收(LRU)和光和有效輻射(PAR)的綜合晝夜循環


                        結果表明:在這個溫帶的落葉森林林地中,基于土壤中OCS含量預測土壤始終是羰基硫的匯。OCS通量測量可以作為探測其他生態系統中的氣孔導度的通用工具,并且可在葉片尺度和實驗室研究中用作探測氣孔導度的通用工具。 


                        參考文獻


                        【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).

                        END


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