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2021-04

通量观测理论与技术Q&A

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Q1:什么是通量?
A:在流体运动中,单位时间内流经某单位面积的某属性量叫做通量,是表示某属性量输送强度的物理量。在生态系统的物质循环和能量交换等物质和能量流的研究中,通量用以表征不同库之间的交换速度和规模。举个简单的例子,或许你就能明白,如植被在进行蒸腾和呼吸作用时,会向大气释放水汽(H2O)和二氧化碳(CO2),那么在单位时间、单位面积内的植被向大气释放的气体的量即是气体通量。相应的,以热量方式传播的就叫做热通量。


Q2:气体通量的测量方法有哪些?

A:气体通量的测量方法主要有箱法、微气象法、土壤浓度廓线法以及同位素法。其中箱法和微气象法中的涡度相关法是目前最常用的测量方法,具体要选用哪种方式进行气体通量的观测,还要根据观测场的环境和试验需求来决定测量方案。


Q3:常见的气体通量测量仪器包括哪些?简要描述其测量原理。

A:常见的气体通量观测试验中,涡动观测系统被广泛使用,其最重要的仪器组件包括三维超声风速仪和红外气体分析仪。前者是利用超声波在空气中的传播速度随风速而变化的原理,测定发生器和接收器间超声波的到达时间来计算风速,由声速与空气温湿度间的函数输出超声虚温。红外气体分析仪的主要原理是利用气体对红外波段的吸收效应,通过测定红外线通过气体时的减少量反算气体浓度。


Q4:如何选择开闭路通量系统?开路和闭路分析仪的主要区别是什么?

A:红外气体分析仪主要是利用待测气体对不同红外波段的吸收效应直接测定湍流脉动。如LI-COR的开路分析仪LI-7500,CO2和H2O的吸收波长分别为4.3um和2.6um,海尔欣的开路氨分析仪HT-8700,NH3的吸收波长为9 um。开、闭路系统间的区别主要在于气体测定方式不同,开路分析仪的探测光路暴露于空气中,而闭路式分析仪则是以采样的方式将空气抽入分析仪的内部进行测定,除分析仪本体以外还需要气泵和取样管。
由于测定方式的不同,相应地,对于气体浓度测定过程和测定结果也会有所差异。开路系统的原位测量方式,响应迅速,灵敏度高,不会造成高频数据丢失,但是此系统的传感器容易受外界环境(如降雨)的影响,因此在仪器维护工作及时的情况下优先选用开路系统。而闭路系统的采样式观测,不容易受到外界环境的干扰,但是闭路系统的抽气管对气体浓度变化脉动具有衰减作用,导致通量观测结果的低估,尤其对类似NH3等强吸附性的气体影响更甚。闭路系统的采样管内有过滤器,若空气中存在杂质,则可能造成过滤器堵塞而损坏仪器,增加维护成本,因此闭路式分析仪需安装在空气洁净的地方。此外闭路系统仪器功耗高,架设时对电力供应要求更高。



Q5:感热通量计算中使用的是哪个温度数据?其温度与常规气象温度是否有差异?

A:在物质不发生相变的情况下转移的热量通量叫做感热通量,又称显热通量。在涡动观测系统中,对于感热通量的计算,其温度参数一般采用三维超声风速仪观测的与湿度有关的超声虚温Ts,与常规气象温度T不同,二者间有:Ts=T(1+0.51q),式中q为比湿。

Q6:为什么需要进行频率损失修正?开闭路系统的频率损失有什么不同?

A:在涡度相关的通量计算中,湍流通量观测在低频端受平均周期和/或高通滤波的影响,而在高频端又会受仪器响应特性的影响,所以通量观测需要对这种频率损失进行校正。一般在开路系统中导致高频脉动削弱的仪器效应包括:三维超声风速仪与红外气体分析仪传感器响应能力不匹配、标量传感器路径平均以及传感器的分离等,而对于闭路系统,其频率损失的原因还包括取样管内浓度高频脉动衰减作用。



Q7:闭路系统是否需要进行WPL校正?WPL校正方程主要包含哪几个分项?

A:WPL校正主要是针对痕量气体方程中水热传输对气体通量的影响,主要包括温度和水汽脉动的校正。闭路系统中,红外气体分析仪内温度脉动衰减为零,即热通量信号为零,因此不必对热通量进行校正,只需要对水汽通量进行校正。对于开路系统则需要分别对热通量和水汽通量进行校正。如果想要得到更精准的CO2通量,我们还应考虑其他物理量的脉动对通量的影响,如气压、二氧化碳密度等。

结语: 

海尔欣已有成熟的HT8700激光开路氨气分析仪产品,以及多个和国内外顶尖学者合作测量野外氨通量的成功案例。基于我们在HT8700的经验积累,海尔欣积极开发适用于通量观测的其他气体分析仪,例如水汽、氧化亚氮、甲烷。了解海尔欣生态板块更多产品,http://www.healthyphoton.com/shengtai/


参考文献:

1. Aubinet M, Grelle A, Ibrom A, et al. 2000. Estimates of the annual net carbon and water exchange of European forests: the EUROFLUX methodology. Advances in Ecological Researh, 30:113-174.
2. Moore C J. 1986. Frequency response corrections for eddy correlation systems. Boundary Layer Meteorology, 37:17~35
3. 于贵瑞 孙晓敏. 陆地生态系统通量观测的原理与方法 [J]. 2006.
4. 张鑫, 林茂, 吴京科. 常见陆地温室气体通量测量方法比较[J]. 林业调查规划, 2013,38(002):27-30.

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