一种基于单一气体分析仪同步测量N2O、CH4和CO2净交换通量的涡动相关法装置及方法，通过对超声风速仪、气体采样系统、闭路气体分析仪、标定系统与数据采集和处理器的有效软硬件集成，基于涡动相关法原理，实现了对N2O、CH4和CO2净交换通量的同步、高效、准确测定。超声风速仪测量三维风速。气体采样系统采集空气样品，并输送至闭路气体分析仪。闭路气体分析仪检测来自气体采样系统的空气样品所含的N2O、CH4和CO2的浓度。标定系统标定闭路气体分析仪。数据采集和处理器接收、存储和处理超声风速仪和闭路气体分析仪测量的三维风速和气体浓度数据，并基于涡动相关法原理，计算N2O、CH4和CO2的净交换通量。
【技术实现步骤摘要】
同步测量N2O、CH4和CO2通量的涡动相关法装置
本专利技术涉及温室气体通量的测量领域，尤其涉及一种基于单一气体分析仪同步测量N2O、CH4和CO2净交换通量的涡动相关法装置及方法。
技术介绍
氧化亚氮(N2O)、甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)是《联合国全球气候变化框架公约》及其《京都议定书》严格管制的温室气体，同时这三种气体也是陆地生态系统碳氮生物地球化学循环的重要组成部分。建立陆地生态系统与大气间N2O、CH4和CO2净交换通量(即单位面积在单位时间内向大气排放或吸收的N2O、CH4和CO2的量)的可靠定量技术与方法，有助于阐明这些气体的源汇变化及其对气候、环境与人类活动变化的影响与反馈规律和机理。研制一套可靠、高效且可同步测量N2O、CH4和CO2净交换通量的装置，将极大促进上述相关研究领域的发展。静态箱法和涡动相关(eddycovariance)法是目前测量N2O、CH4和CO2净交换通量的主要方法。静态箱法的原理是采用密闭箱体覆盖于研究对象之上，根据一段时间内箱体内部气体浓度的增加或减小速率来计算气体通量，但静态箱法本身存在技术缺陷，使其获取的通量观测数据的准确性受到质疑，比如：密闭箱体会改变研究对象的原有环境条件；测量的结果只代表空间上有限观测点位的通量，有时无法代表生态系统尺度上的平均水平；有限的气体样品浓度数据往往导致无法采用更准确(非线性)的通量计算方法，导致通量被系统性地低估。涡动相关法是微气象学方法的一种，是目前测量生态系统碳氮气体通量最直接且准确的方法，它能解决静态箱法存在的上述问题，对测量对象无干扰，测量结果代表地块尺度上的空间平均，其实施方法是在观测对象上方一定高度处同步地高频(≥10Hz)地测量三维风速和气体浓度，并基于两者的协方差来计算气体通量。目前，涡动相关法已广泛应用于陆地生态系统CO2净交换通量的长期观测，然而N2O和CH4通量的有效测量数据仍有95％以上来源于静态箱法，联合国政府间气候变化专门委员会提供的最权威的陆地生态系统N2O和CH4排放清单编制方法及其关键参数，也几乎都是基于静态箱法的观测结果。导致这种现状的重要原因是，一直缺少涡动相关法N2O和CH4通量观测所必需的高精度快响应(≥10Hz)的气体分析仪器设备。近年来随着中红外激光吸收光谱技术的进步，这类气体分析仪逐渐得到商业化生产，然而由于CH4和N2O在大气中浓度低，目前可用于涡动相关法通量观测的CH4和N2O气体分析仪绝大多数都基于闭路式原理，即需要将空气样品通入分析仪的光池，激光在光池内多次反射，通过增加光程来增加激光吸收强度，从而提高分析仪的检测精度。要实现基于涡动相关法原理同步测量N2O、CH4和CO2的通量，最高效的方法是选用一台可同时检测这三种气体浓度的分析仪，而目前市场上满足此要求的分析仪只有闭路式。选用闭路式气体分析仪，意味着需要配置一个大流量气泵将空气抽入分析仪，这涉及如何合理配置和组合各个仪器硬件，以集成为一个系统装置，还涉及一系列直接影响通量结果的关键技术问题，包括：如何设计适合野外条件的气体采样系统并调控合理的采样流量、如何准确校正风速和气体浓度数据之间的时间差、如何根据获得的三维风速和气体浓度数据准确计算气体通量等，目前还未有相关专利技术专利报道此类基于涡动相关法原理同步测量N2O、CH4和CO2通量的装置，更没有相关专利提出解决上述技术问题的具体方案。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术的目的在于提供一种基于单一气体分析仪同步测量N2O、CH4和CO2净交换通量的涡动相关法装置及方法，以解决上述的至少一项技术问题。(二)技术方案本专利技术提供了一种基于单一气体分析仪同步测量N2O、CH4和CO2净交换通量的涡动相关法装置，包括：超声风速仪，用于测量三维风速，即笛卡尔坐标系三个方向上的风速分量；气体采样系统，用于采集空气样品，并输送至闭路气体分析仪；闭路气体分析仪，用于检测来自气体采样系统的空气样品所含的N2O、CH4和CO2的浓度；标定系统，用于标定闭路气体分析仪；数据采集和处理器，用于接收、存储和处理超声风速仪测量的三维风速和闭路气体分析仪测量的N2O、CH4和CO2浓度数据，并基于涡动相关法原理，计算N2O、CH4和CO2的净交换通量。在本专利技术的一些实施例中，所述数据采集和处理器计算N2O、CH4和CO2的净交换通量具体指：以半小时为单位计算通量的平均值其中，F的单位为μgm-2h-1，w′为垂直风速偏离半小时平均值的瞬时脉动值，单位为ms-1，c′为N2O、CH4和CO2浓度偏离半小时平均值的瞬时脉动值，单位为nmolmol-1；指w′c′的半小时平均值，ρ为空气密度，数值为1.29kgm-3；M为空气的摩尔质量，数值为0.029kgmol-1；3600表示1h有3600秒；A表示1molN2O、CH4和CO2分子的质量，单位为gmol-1。在本专利技术的一些实施例中，所述气体采样系统包括：采样头，作为空气进入气体采样系统的入口；采样气路，一端与所述采样头相连，另一端与所述闭路气体分析仪相连，用于传输所述空气；三通接头，用于连接所述采样气路与标定气路；过滤器，与三通接头连接，过滤孔径为0.45μm，用于滤去所述空气中的颗粒物；针阀，位于所述闭路气体分析仪的进气口，与所述过滤器连接，用于调节采样气路的流量；球阀，其一端与所述闭路气体分析仪的出气口相连，用于控制气泵的实际抽力，以及当关闭气泵时手动将其关闭，防止气泵内部的灰尘倒吸进闭路气体分析仪；钢丝PVC管，一端与气泵连接，用于流通所述空气；气泵，通过该钢丝PVC管与球阀的另一端相连，为抽取空气提供动力，并排出所述空气。在本专利技术的一些实施例中，所述采样头为漏斗状，方向朝下，以避免雨水进入采样气路。在本专利技术的一些实施例中，所述采样气路的材质为聚四氟乙烯；和/或所述采样气路外侧设置有加热带，并包裹防水保温材料。在本专利技术的一些实施例中，所述标定系统包括标气单元、标定气路和电磁阀，其中，标气单元与电磁阀的进口连接，用于输出标气；标定气路与电磁阀的出口连接，用于传输所述标气；所述电磁阀的关断和开启分别对应气体采样系统的运行和标定系统的运行。在本专利技术的一些实施例中，所述采样气路内空气运动的雷诺系数Re＝v×d/γ，用于判断其流动的状态是否为湍流，其中，v为采样气路内空气的流速，单位为ms-1；d为采样气路的直径，单位为m；γ为空气的运动粘度，数值为1.5×10-5m2s-1。在本专利技术的一些实施例中，所述标气的流速大于所述空气的流速。在本专利技术的一些实施例中，所述数据采集和处理器还用于根据最大协方差法或同定时间差法校正所述三维风速与N2O、CH4和CO2浓度的数据时间差。本专利技术实施例还提供了一种基于单一气体分析仪同步测量N2O、CH4和CO2净交换通量的方法，应用于以上任一所述的一种基于单一气体分析仪同步测量N2O、CH4和CO2净交换通量的涡动相关法装置。(三)有益效果本专利技术的基于单一气体分析仪同步测量N2O、CH4和CO2通量的涡动相关法装置及方法，相较于现有技术，至少具有以下优点：1、根据涡动相关法原理，构建了一个基于单一气体分析仪的稳定可靠的装置，从而实现陆地生态系统地块尺度上N2O、CH4和CO2三种气体净交换通量的无本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于单一气体分析仪同步测量N2O、CH4和CO2净交换通量的涡动相关法装置，包括：超声风速仪，用于测量三维风速，即笛卡尔坐标系三个方向上的风速分量；气体采样系统，用于采集空气样品，并输送至闭路气体分析仪；闭路气体分析仪，用于检测来自气体采样系统的空气样品所含的N2O、CH4和CO2的浓度；标定系统，用于标定闭路气体分析仪；数据采集和处理器，用于接收、存储和处理超声风速仪测量的三维风速和闭路气体分析仪测量的N2O、CH4和CO2浓度数据，并基于涡动相关法原理，计算N2O、CH4和CO2的净交换通量。
【技术特征摘要】
1.一种基于单一气体分析仪同步测量N2O、CH4和CO2净交换通量的涡动相关法装置，包括：超声风速仪，用于测量三维风速，即笛卡尔坐标系三个方向上的风速分量；气体采样系统，用于采集空气样品，并输送至闭路气体分析仪；闭路气体分析仪，用于检测来自气体采样系统的空气样品所含的N2O、CH4和CO2的浓度；标定系统，用于标定闭路气体分析仪；数据采集和处理器，用于接收、存储和处理超声风速仪测量的三维风速和闭路气体分析仪测量的N2O、CH4和CO2浓度数据，并基于涡动相关法原理，计算N2O、CH4和CO2的净交换通量。2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述数据采集和处理器计算N2O、CH4和CO2的净交换通量具体指：以半小时为单位计算通量的平均值其中，F的单位为μgm-2h-1，w′为垂直风速偏离半小时平均值的瞬时脉动值，单位为ms-1，c′为N2O、CH4和CO2浓度偏离半小时平均值的瞬时脉动值，单位为nmolmol-1；指w′c′的半小时平均值，ρ为空气密度，数值为1.29kgm-3；M为空气的摩尔质量，数值为0.029kgmol-1；3600表示1h有3600秒；A表示1molN2O、CH4和CO2分子的质量，单位为gmol-1。3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述气体采样系统包括：采样头，作为空气进入气体采样系统的入口；采样气路，一端与所述采样头相连，另一端与所述闭路气体分析仪相连，用于传输所述空气；三通接头，用于连接所述采样气路与标定气路；过滤器，与三通接头连接，过滤孔径为0.45μm，用于滤去所述空气中的颗粒物；针阀，位于所述闭路气体分析仪的进气口，与所述过滤器连接，用于调...
【专利技术属性】
技术研发人员：王凯，郑循华，王东，
申请(专利权)人：中国科学院大气物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11
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