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目前，开路涡动相关系统已广泛于应用于各类生态系统-大气间的二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）通量的测量，能够适应复杂的样地环境，但仍然存在气体检测种类单一，测量精度无法满足痕量气体，雨雪天气数据不连续等问题。
CPEC-AZ闭路式涡度通量系统因设计原理不同，能对环境中多种痕量温室气体及其同位素气体进行同时测量。测量检测限低，精度可达ppt级，测量频率可达10Hz,能够进行高频的持续观测。可观测气体种类多，并能够满足多种气体同时测量的需要，且限度地避免突发天气对仪器的干扰。
此外，还能同步测量多种含碳、含氮痕量气体及气体同位素，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）
| 农田生态系统闭路涡度相关法含氮气体通量观测 |
系统组成
该系统主机Aerodyne闭路气体分析仪采用可调谐红外激光直接吸收光谱（TILDAS）技术， 用中红外激光探测气体分子，的像散型多光程吸收池技术有效测量光程高达210m，有效提高气体分子的测量精度，达ppt级。
该系统由Aerodyne闭路式气体分析仪、超声风速采集模块、数据整合软件、恒温机箱、采气管路等组成。
超声风速采集模块可与已有的开路涡度相关法通量观测系统共用，在超声风速仪中心设置采样管，即可完成原有的开路涡度相关法系统升级，同步观测多种气体。
| Aerodyne闭路式气体分析仪内部结构图 |
系统优势
01 该系统采用的Aerodyne闭路气体分析仪对痕量气体测量频率可达10Hz,能满足涡度相关法通量观测条件，测量精度高，检测限可达ppt级。各种气体测量精度见技术指标。
02 该系统可同步观测多种气体，部分气体分子组合如下（可根据科研需要，提供近百种气体组合）：
1、N2O、CO2、NH3、O3、CO、H2O
2、N2O、CO2、CH4、COS、CO、H2O
3、NO、NO2、H2O
4、N2O、CO2、CH4、CO、C2H6、H2O
5、HONO、HNO3、H2O
6、HCN、HCl
7、CH4、C2H6、C3H8
采用活性钝化系统后，NH3测量的时间常数和高频通量变化（时间常数更快）
03 该系统还可同步观测多种气体同位素，部分气体同位素组合如下：
1、N2O、15N14N16O、 14N15N16O、 14N14N18O
2、CH4、 13CH4、CH3D
3、CO2、13C-CO2、17O-CO2、18O-CO2
04 技术活性钝化装置可显著提高粘性气体分子如NH3、HONO等的响应时间，实现粘性气体和非粘性气体的同步观测，如 N2O、CO2、NH3、O3、CO、H2O同步观测。
05 惯性颗粒物分离装置，能有效减少颗粒物附着，确保两次采样不会交叉污染。
06 该系统能够实现自动全量程校准和零点校准。
技术指标 该系统可测量气体分子、1s及100s测量精度、相应时间如下：
常见痕量温室气体
| 参数 | 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 |
| 测量范围 | 0-10000ppb | 0-10000ppb | 0-5000ppm | 0-10000ppb | 0-5000ppm |
| 响应时间 | 1-10HZ可选 | 1-10HZ可选 | 1-10HZ可选 | 1-10HZ可选 | 1-10HZ可选 |
| 参数 | 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 |
| 测量范围 | 0-5000ppm | 0-5000ppm | 0-5000ppm | 0-5000ppm |
| 响应时间 | 1-10HZ可选 | 1-10HZ可选 | 1-10HZ可选 | 1-10HZ可选 |
含碳气体同位素：
| 参数 | 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‰ |
| 测量范围 | 3‰ | 30‰ | 1‰ | 25ppb | 0.1‰ | 0.1‰ |
| 响应时间 | 1-10HZ可选 | 1-10HZ可选 | 1-10HZ可选 | 1-10HZ可选 | 1-10HZ可选 | 1-10HZ可选 |
含氮气体同位素：
| 参数 | NH3 | δ15N14N16O（δ15Nα） | δ14N15N16O（δ15Nβ） | δ14N14N18O（δ18O） |
| 精度 1S | 40ppt | 0.1‰ | 0.03‰ | 8‰ |
| 精度 100S | 10ppt | 1‰ | 1‰ | 2‰ |
| 测量范围 | 0-10000ppb | 300~30000ppb | 300~30000ppb | 300~30000ppb |
| 响应时间 | 1-10HZ可选 | 1-10HZ可选 | 1-10HZ可选 | 1-10HZ可选 |
应用案例
01
意大利北部土壤农田氮施加控制试验，通过CPEC方法探究氨态氮（NH4+-N\NH3）内部转化过程及氨气（NH3）恢复性流失。
结果表明：氮施加实验后24和30h的NH3排放水平为138.3μg m-2s-1和243.5μg m-2s-1，NH4-N的总损失比例在两次扩散实验后7天分别为19.4％ 和28.5％。
02
中国亚热带典型的蔬菜田利用CPEC方法同时测量一氧化二氮（N2O），甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）通量。
N2O，CH4和CO2（实心圆）和气温（空心圆）的频率加权归一化共谱）以及相应的高频共谱传递函数
结果表明： 通过Aerodyne双激光分析仪的检测结果计算出N2O的中值精度（1σ）为0.14 nmol/mol ，在野外条件下，采样频率为10 Hz时，CH4的摩尔浓度为3.3 nmol/mol，CO2的摩尔浓度为0.36μmol/mol。
03
美国马萨诸塞州温带森林中生态系统-大气二氧化碳净交换（NEE）的同位素组份（即12C16O2、13C16O2和18O12C16O的净交换量）CPEC方法测量【3】。
通过EC(实线)和EC/Flask(虚线)估算的6月（橙色）7月（绿色）、8月（蓝色）和9月（紫色）的δ13C日变化。EC循环已平滑至2h，并且仅展示了CO2通量小于-2 mol m-2 s-1的时间。
NEE中δ18O 6月（橙色）7月（绿色）、8月（蓝色）和9月（紫色）的δ13C日变化，EC结果已平滑至2h
结果表明： NEE中的13C组份表现出日变化的趋势，可能反映了光合作用的扩散和生化限制之间的平衡转移。白天，18O同位素通量表现出与蒸发的18O叶片水富集有关的特征。同位素通量和NEE中的13C组份都有明显的季节性变化，NEE中的18O组份逐月更一致。
04
瑞士中部集约化经营草地采用量子级联激光吸收光谱法（QCLAS）对N2O同位素表征。
标气（红色）和表层（黑色）N2O摩尔分数（顶部）和同位素值（三个底部面板）在原为实验期间的大气表层测量
结果表明：同步涡度协方差N2O通量测量确定了土壤中N2O的通量平均同位素特征，集约经营草地N2O的通量平均同位素组成SP、δ15Nbuk和δ18O分别为6.9±4.3‰、-17.4±6.2‰和27.4±3.6‰。
05
美国哈佛森林温带落叶林通过羰基硫的吸收确立了林冠层气孔导度，蒸腾和蒸发的动态变化。
冠层OCS吸收和初级生产总值（GPP）随着叶相关吸收（LRU）和光和有效辐射（PAR）的综合月变化
冠层OCS吸收和初级生产总值（GPP）随着叶相关吸收（LRU）和光和有效辐射（PAR）的综合昼夜循环
结果表明：在这个温带的落叶森林林地中，基于土壤中OCS含量预测土壤始终是羰基硫的汇。OCS通量测量可以作为探测其他生态系统中的气孔导度的通用工具，并且可在叶片尺度和实验室研究中用作探测气孔导度的通用工具。
参考文献
【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 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
