一种开放式臭氧浓度增加模拟系统技术方案

本发明专利技术涉及一种开放式臭氧浓度增加模拟系统，该系统包括臭氧发生及混气子系统，布气子系统和检测采样控制子系统；臭氧发生及混气子系统包括臭氧发生单元、压缩空气单元和混气单元，臭氧发生单元和压缩空气单元均与混气单元相连接；布气子系统包括设置在目标区域周围的多根支撑柱和设置在支撑柱上并与地面平行的布气管，布气管与混气单元相连接，布气子系统笼罩的范围为实验圈；检测采样控制子系统包括主控计算机以及与主控计算机相连接的数据采集控制器、风速风向传感器和臭氧分析仪，数据采集控制器分别与臭氧发生及混气子系统和布气子系统相连接。本发明专利技术能为研究生态系统对大气中O3浓度变化响应提供理想手段。

【技术实现步骤摘要】
一种开放式臭氧浓度增加模拟系统
本专利技术属于生态环境研究
，尤其涉及一种开放式臭氧浓度增加模拟系统。
技术介绍
全球工业化和城市化的加剧使大气组分发生了变化，导致了全球气候变暖，这对人类生存环境和社会经济的持续发展构成威胁，引起了全球科学家的广泛关注和各国政府的高度重视。为了评价、预测和应对大气组成变化的后果，科学界做了长期的努力。上世纪80年代前，大量的研究在温室、培养箱或开顶式气箱中进行，但由于相应的试验条件如温度、风速、湿度、降雨等因素与自然条件相去甚远，特别是试验装置中的植物与昆虫、病源隔离，以从这种模拟环境中所取得的研究结果预测大气组成和气候变化对生态系统的影响，具有较多的不确定性；另外，以往的密闭或半密闭箱式设施内部生长空间有限，仅能进行短期实验(1-2年)，无法对较大的林木甚至生态系统进行连续多年的O3熏蒸实验研究。因此，研制开发能在自由空气条件下升高大气中某个特定组分的系统，以尽可能接近自然生态环境的条件研究生态系统对全球变化的响应和适应，是非常必要的。近地层臭氧(O3)主要来源于氮氧化物(NOx)和挥发性有机化合物(VOCs)等前体物发生的光化学反应，是一种对陆地植被有极强毒性作用的二次污染物。近几十年来大气中NOx及挥发性有机物的迅速提高，导致全球范围内近地层O3浓度正以每年0.3％～2.0％的速度持续增加；其中，我国东部地区近地层O3浓度的升高趋势更为明显，尤其在人口密集的城市和地区，如北京周边地区，夏季白天日(8h)平均O3浓度超过100ppb，小时平均O3浓度极值高达300ppb以上。因此，地表O3污染已被认为是区域和全球性的主要环境问题之一，在我国，地表O3已经成为大部分地区夏季的首要空气污染物。据估计，环境臭氧浓度增加可减少我国7.7％的森林储存量。国内外学者先后研制开发了在自由空气条件下升高CO2浓度特定组分的系统，但是与浓度恒定的大气CO2相比，O3具有明显的日时和季节性变化；另外，O3是强氧化性的气体，因此研制O3-FACE(FreeAirgasConcentrationEnrichment)平台具有更大的挑战性。目前，全球范围内已建成的用于研究O3对森林生态系统长期影响(10年)的O3-FACE平台仅有2座：美国的ASPEN平台和德国的KROFEX平台。ASPEN平台是从幼小苗木(杨树、桦木和枫树)开始连续CO2和O3熏蒸10年；KROFEX平台是建立在已有的成熟林云杉(40年)和山毛榉(60年)混交林，研究O3对森林冠层碳固定的影响。然而，这2个平台只考虑了一种或两种大气组分对森林生态系统的影响，研究结果很难客观评价当前全球气候变化导致的多个环境因子如CO2浓度升高、升温、干旱、氮沉降量加剧等共同存在对森林生态系统的影响及其气候反馈。在国内，已建有小麦和水稻等作物的O3-FACE平台，相对于作物的O3-FACE平台来说，森林O3-FACE平台的覆盖面积更大，还要随着树木的生长在竖直方向上不断延伸，其搭建技术更为复杂；另外，作物的O3-FACE平台每次仅运行一个生长季(约3个月)，而森林O3-FACE平台则需要连续运行数年，对设备的可靠性要求更高。随着人为活动的加剧，全球的O3浓度、CO2浓度、升温、干旱、氮沉降量加剧等环境问题仍将维持很长一段时间，O3与其它环境因子复合对生态系统尤其是森林生态系统的服务功能(如固C、调节气候等)的影响，仍将是各国政府和科学家普遍关注的科学问题。O3-FACE平台是唯一能够客观评价O3与其它环境因子对森林生产力影响及对全球气候变化反馈的研究手段，在今后森林生态系统的研究中必然受到国内外研究机构的广泛使用。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种开放式臭氧浓度增加模拟系统，在野外目标区域没有任何隔离设施，能在开放体系中调控O3组分浓度，气体可以自由流通，目标区域内的通风、光照、温度、湿度等条件十分接近自然生态环境，能为研究生态系统对大气中O3浓度变化的响应提供理想手段。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种开放式臭氧浓度增加模拟系统，其特征在于，该系统包括臭氧发生及混气子系统，布气子系统和检测采样控制子系统；其中，所述臭氧发生及混气子系统包括臭氧发生单元、压缩空气单元和混气单元，所述臭氧发生单元和压缩空气单元均与所述混气单元相连接；所述布气子系统包括设置在目标区域周围的多根支撑柱和设置在所述支撑柱上并与地面平行的布气管，所述布气管与所述混气单元相连接，所述布气子系统笼罩的范围为实验圈；所述检测采样控制子系统包括主控计算机以及与所述主控计算机相连接的数据采集控制器、风速风向传感器和臭氧分析仪，所述数据采集控制器分别与所述臭氧发生及混气子系统和布气子系统相连接；所述臭氧分析仪包括至少三台，分别用于测量实验圈中心点的臭氧浓度、轮流测量实验圈内多个点的臭氧浓度以及测量对照圈中心点的臭氧浓度。所述压缩空气单元包括空气压缩机，以及依次与所述空气压缩机相连接的干冷机和油雾分离器。所述压缩空气单元中还安装有平衡贮气罐。所述混气单元包括文氏管和质量流量控制器，所述文氏管的入口与所述压缩空气单元相连接、出口与所述布气子系统相连接、喉部与所述臭氧发生单元相连接；所述质量流量控制器与所述臭氧发生单元和文氏管相连接。所述布气管上等间隔布置多个布气孔，所述布气孔的外部还设置有凹窝；所述布气管包括多根。所述臭氧发生及混气子系统包括多个所述混气单元，所述布气子系统也包括多个；所述臭氧发生单元和压缩空气单元为所有实验圈提供臭氧气体和干净压缩空气，各个实验圈分别对应独立的所述混气单元和布气子系统。所述布气子系统还包括高度调节装置，所述高度调节装置能控制所述布气管的放置高度。所述实验圈内在作物冠层下方还设置有叶片湿润度传感器。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本专利技术的一种开放式臭氧浓度增加模拟系统，在野外的目标区域没有任何隔离设施，气体可以自由流通，区域内的通风、光照、温度、湿度等条件十分接近自然生态环境，因而能为研究生态系统对大气中O3浓度变化响应提供理想手段，为全球变化的区域响应及对社会经济发展的影响研究提供技术支撑，具有重要科学和实践意义。2、本专利技术的一种开放式臭氧浓度增加模拟系统，内部空间非常大，单圈占地面积约为256㎡(即16m*16m的正方形)，可以同时开展O3浓度升高、CO2浓度增加、增温、氮沉降增加及干旱等多个生态环境因子变化对森林生态系统(地上和地下生态系统等)的复合影响的综合研究，形成在开放体系同时调控多个空气组分浓度的模拟实验系统，在平台技术方面领先，为研究全球气候变化对生态系统的综合影响提供技术保障。附图说明图1是本专利技术的结构示意图；图2是本专利技术的布气子系统的局部放大结构示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细的描述。建立开放体系中调控O3组分浓度的O3-FACE平台，要求在野外的目标区域没有任何隔离设施，气体可以自由流通，目标区域内的通风、光照、温度、湿度等条件十分接近自然生态环境。由于O3气体易分解、不能被储存，因此O3-FACE平台采用即时发送-控制混气-输送-自由释放的方式；由于O3浓度波动很大，没有采用固定升高O3浓度值的方式，而是采用升高O3浓度比例的方法，将实验圈内目标区本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种开放式臭氧浓度增加模拟系统，其特征在于，该系统包括臭氧发生及混气子系统，布气子系统和检测采样控制子系统；其中，所述臭氧发生及混气子系统包括臭氧发生单元、压缩空气单元和混气单元，所述臭氧发生单元和压缩空气单元均与所述混气单元相连接；所述布气子系统包括设置在目标区域周围的多根支撑柱和设置在所述支撑柱上并与地面平行的布气管，所述布气管与所述混气单元相连接，所述布气子系统笼罩的范围为实验圈；所述检测采样控制子系统包括主控计算机以及与所述主控计算机相连接的数据采集控制器、风速风向传感器和臭氧分析仪，所述数据采集控制器分别与所述臭氧发生及混气子系统和布气子系统相连接；所述臭氧分析仪包括至少三台，分别用于测量实验圈中心点的臭氧浓度、轮流测量实验圈内多个点的臭氧浓度以及测量对照圈中心点的臭氧浓度。

【技术特征摘要】
1.一种开放式臭氧浓度增加模拟系统，其特征在于，该系统包括臭氧发生及混气子系统，布气子系统和检测采样控制子系统；其中，所述臭氧发生及混气子系统包括臭氧发生单元、压缩空气单元和混气单元，所述臭氧发生单元和压缩空气单元均与所述混气单元相连接；所述布气子系统包括设置在目标区域周围的多根支撑柱和设置在所述支撑柱上并与地面平行的布气管，所述布气管与所述混气单元相连接，所述布气子系统笼罩的范围为实验圈；所述检测采样控制子系统包括主控计算机以及与所述主控计算机相连接的数据采集控制器、风速风向传感器和臭氧分析仪，所述数据采集控制器分别与所述臭氧发生及混气子系统和布气子系统相连接；所述臭氧分析仪包括至少三台，分别用于测量实验圈中心点的臭氧浓度、轮流测量实验圈内多个点的臭氧浓度以及测量对照圈中心点的臭氧浓度。2.如权利要求1所述的一种开放式臭氧浓度增加模拟系统，其特征在于，所述压缩空气单元包括空气压缩机，以及依次与所述空气压缩机相连接的干冷机和油雾分离器。3.如权利要求2所述的一种开放式臭氧浓度增加模拟系统，其特征在于，所述压缩空气单元中还安装有平衡贮气罐。4.如权利要求1或2或3所述的一种开放式臭氧浓度增加模拟系统，其特征在于，所述混气单元包括文氏管和质量流量控制器，所述文氏管的入口与所述压缩空气单元相连接、出口与所述布气子系统相连接、喉部与所述臭氧发生单元相连接；所述质量...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯兆忠，刘钢，徐彦森，朱建国，许稳，
申请(专利权)人：中国科学院生态环境研究中心，
类型：发明
国别省市：北京,11