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文章推薦 | 使用TDLAS開路水汽分析儀測(cè)量蒸散發(fā)通量
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水蒸氣是大氣中最重要的溫室氣體，在地球的水分和能量平衡中發(fā)揮著重要作用。可靠觀測(cè)和準(zhǔn)確估算大氣水汽(H2O)通量對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)管理和地球系統(tǒng)模型的開發(fā)至關(guān)重要。目前，渦度協(xié)方差(EC)技術(shù)被為是測(cè)量各種生態(tài)系統(tǒng)類型中能量、碳和水蒸氣湍流通量的標(biāo)準(zhǔn)方法，該技術(shù)的發(fā)展主要依賴快速響應(yīng)的水汽濃度傳感器。
為滿足研究需要，海爾欣·昕甬智測(cè)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所王凱所在的研究團(tuán)隊(duì)與寧波諾丁漢大學(xué)研發(fā)了一款高精度快響應(yīng)的開路式激光水汽分析儀——HT1800。該儀器基于可調(diào)諧激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)，采用近紅外波段(1392 nm)的激光源和開放式的測(cè)量光路，實(shí)現(xiàn)大氣水汽濃度的高頻(10 Hz)連續(xù)測(cè)定，以最小擾動(dòng)捕捉水汽的湍流脈動(dòng)變化，進(jìn)而基于渦動(dòng)相關(guān)原理直接獲得地表與大氣間的水汽交換通量，是測(cè)量潛熱通量，ET通量，和對(duì)其他氣體通量進(jìn)行水汽校正的儀器。
研究團(tuán)隊(duì)制備了兩臺(tái)HT1800水汽開路分析儀，其激光波長(zhǎng)分別為1392 nm 和1877 nm。通過與歐洲共同體界兩種水蒸氣分析儀LI-7500RS和IRGASON的相互比較實(shí)驗(yàn)，對(duì)這兩種分析儀的現(xiàn)場(chǎng)性能進(jìn)行了評(píng)估(圖1)。三種分析儀測(cè)得的水蒸氣密度與參考傳感器的整體一致性很高。HT1800、LI-7500和IRGASON的平均密度漂移分別為 3.7%-5.2%、4.0% 和 3.8%。同時(shí)，HT1800測(cè)得的半小時(shí)平均水通量與LI-7500RS和IRGASON的測(cè)量結(jié)果高度一致，差異僅為−0.2%~1.6%(圖2)，表明HT1800可以準(zhǔn)確地測(cè)量大氣中的水分含量。HT1800在數(shù)據(jù)可用性、通量檢測(cè)限和對(duì)高頻湍流變化的響應(yīng)等方面也適用于歐共體應(yīng)用。
此外，團(tuán)隊(duì)還研究了光譜效應(yīng)如何影響 H2O 密度和通量的測(cè)量。發(fā)現(xiàn)波長(zhǎng)為1392nm的激光器更容易受到光譜效應(yīng)的影響，但校正這種偏差后的通量與IRGASON的通量顯示出高一致性。考慮到激光器和光電探測(cè)器的成本優(yōu)勢(shì)，以及實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)后將具有的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，該儀器可為地表蒸散發(fā)的高頻測(cè)量和其他痕量氣體通量的水汽干擾效應(yīng)矯正提供一種經(jīng)濟(jì)且有效的自主解決方案。
圖1 HT1800開路式水汽分析儀與兩款美國(guó)進(jìn)口儀器(LI-7500RS和IRGASON)野外對(duì)比觀測(cè)
圖2 HT1800開路式水汽分析儀與兩款美國(guó)進(jìn)口儀器(LI-7500RS和IRGASON)測(cè)量的水汽濃度和通量對(duì)比
HT1800開路式水汽分析儀
經(jīng)濟(jì)實(shí)用，易于安裝和維護(hù)
適合渦動(dòng)協(xié)方差對(duì)中等區(qū)域的蒸散發(fā)(ET)測(cè)量
開放式路徑，測(cè)量頻率高達(dá)20Hz
無其他氣體分子的交叉干擾
無運(yùn)動(dòng)部件，穩(wěn)定可靠
長(zhǎng)壽命，適用于多種現(xiàn)場(chǎng)部署
低功率(10W)，可由太陽能電池板提供
【論文信息】
Wang K., Huang, L., Zhang, J.T., Zhen, X.J., Shi, L.L., Lin, T.J.*, Zheng X.H., Wang Y.*, 2024. Measuring turbulent water vapor fluxes using a tunable diode laser-based open-path gas analyzer. Water 16(2), 307.