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2021-04

通量觀測理論與技術(shù)Q&A

Author:admin
Q1:什么是通量?
A:在流體運(yùn)動中,單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)某單位面積的某屬性量叫做通量,是表示某屬性量輸送強(qiáng)度的物理量。在生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量交換等物質(zhì)和能量流的研究中,通量用以表征不同庫之間的交換速度和規(guī)模。舉個(gè)簡單的例子,或許你就能明白,如植被在進(jìn)行蒸騰和呼吸作用時(shí),會向大氣釋放水汽(H2O)和二氧化碳(CO2),那么在單位時(shí)間、單位面積內(nèi)的植被向大氣釋放的氣體的量即是氣體通量。相應(yīng)的,以熱量方式傳播的就叫做熱通量。


Q2:氣體通量的測量方法有哪些?

A:氣體通量的測量方法主要有箱法、微氣象法、土壤濃度廓線法以及同位素法。其中箱法和微氣象法中的渦度相關(guān)法是目前較常用的測量方法,具體要選用哪種方式進(jìn)行氣體通量的觀測,還要根據(jù)觀測場的環(huán)境和試驗(yàn)需求來決定測量方案。


Q3:常見的氣體通量測量儀器包括哪些?簡要描述其測量原理。

A:常見的氣體通量觀測試驗(yàn)中,渦動觀測系統(tǒng)被廣泛使用,其重要的儀器組件包括三維超聲風(fēng)速儀和紅外氣體分析儀。前者是利用超聲波在空氣中的傳播速度隨風(fēng)速而變化的原理,測定發(fā)生器和接收器間超聲波的到達(dá)時(shí)間來計(jì)算風(fēng)速,由聲速與空氣溫濕度間的函數(shù)輸出超聲虛溫。紅外氣體分析儀的主要原理是利用氣體對紅外波段的吸收效應(yīng),通過測定紅外線通過氣體時(shí)的減少量反算氣體濃度。


Q4:如何選擇開閉路通量系統(tǒng)?開路和閉路分析儀的主要區(qū)別是什么?

A:紅外氣體分析儀主要是利用待測氣體對不同紅外波段的吸收效應(yīng)直接測定湍流脈動。如LI-COR的開路分析儀LI-7500,CO2和H2O的吸收波長分別為4.3um和2.6um,海爾欣的開路氨分析儀HT-8700,NH3的吸收波長為9 um。開、閉路系統(tǒng)間的區(qū)別主要在于氣體測定方式不同,開路分析儀的探測光路暴露于空氣中,而閉路式分析儀則是以采樣的方式將空氣抽入分析儀的內(nèi)部進(jìn)行測定,除分析儀本體以外還需要?dú)獗煤腿庸堋?br /> 由于測定方式的不同,相應(yīng)地,對于氣體濃度測定過程和測定結(jié)果也會有所差異。開路系統(tǒng)的原位測量方式,響應(yīng)迅速,靈敏度高,不會造成高頻數(shù)據(jù)丟失,但是此系統(tǒng)的傳感器容易受外界環(huán)境(如降雨)的影響,因此在儀器維護(hù)工作及時(shí)的情況下優(yōu)先選用開路系統(tǒng)。而閉路系統(tǒng)的采樣式觀測,不容易受到外界環(huán)境的干擾,但是閉路系統(tǒng)的抽氣管對氣體濃度變化脈動具有衰減作用,導(dǎo)致通量觀測結(jié)果的低估,尤其對類似NH3等強(qiáng)吸附性的氣體影響更甚。閉路系統(tǒng)的采樣管內(nèi)有過濾器,若空氣中存在雜質(zhì),則可能造成過濾器堵塞而損壞儀器,增加維護(hù)成本,因此閉路式分析儀需安裝在空氣潔凈的地方。此外閉路系統(tǒng)儀器功耗高,架設(shè)時(shí)對電力供應(yīng)要求更高。



Q5:感熱通量計(jì)算中使用的是哪個(gè)溫度數(shù)據(jù)?其溫度與常規(guī)氣象溫度是否有差異?

A:在物質(zhì)不發(fā)生相變的情況下轉(zhuǎn)移的熱量通量叫做感熱通量,又稱顯熱通量。在渦動觀測系統(tǒng)中,對于感熱通量的計(jì)算,其溫度參數(shù)一般采用三維超聲風(fēng)速儀觀測的與濕度有關(guān)的超聲虛溫Ts,與常規(guī)氣象溫度T不同,二者間有:Ts=T(1+0.51q),式中q為比濕。

Q6:為什么需要進(jìn)行頻率損失修正?開閉路系統(tǒng)的頻率損失有什么不同?

A:在渦度相關(guān)的通量計(jì)算中,湍流通量觀測在低頻端受平均周期和/或高通濾波的影響,而在高頻端又會受儀器響應(yīng)特性的影響,所以通量觀測需要對這種頻率損失進(jìn)行校正。一般在開路系統(tǒng)中導(dǎo)致高頻脈動削弱的儀器效應(yīng)包括:三維超聲風(fēng)速儀與紅外氣體分析儀傳感器響應(yīng)能力不匹配、標(biāo)量傳感器路徑平均以及傳感器的分離等,而對于閉路系統(tǒng),其頻率損失的原因還包括取樣管內(nèi)濃度高頻脈動衰減作用。



Q7:閉路系統(tǒng)是否需要進(jìn)行WPL校正?WPL校正方程主要包含哪幾個(gè)分項(xiàng)?

A:WPL校正主要是針對痕量氣體方程中水熱傳輸對氣體通量的影響,主要包括溫度和水汽脈動的校正。閉路系統(tǒng)中,紅外氣體分析儀內(nèi)溫度脈動衰減為零,即熱通量信號為零,因此不必對熱通量進(jìn)行校正,只需要對水汽通量進(jìn)行校正。對于開路系統(tǒng)則需要分別對熱通量和水汽通量進(jìn)行校正。如果想要得到更精準(zhǔn)的CO2通量,我們還應(yīng)考慮其他物理量的脈動對通量的影響,如氣壓、二氧化碳密度等。

結(jié)語: 

海爾欣已有成熟的HT8700激光開路氨氣分析儀產(chǎn)品,以及多個(gè)和國內(nèi)外學(xué)者合作測量野外氨通量的成功案例?;谖覀冊贖T8700的經(jīng)驗(yàn)積累,海爾欣積極開發(fā)適用于通量觀測的其他氣體分析儀,例如水汽、氧化亞氮、甲烷。了解海爾欣生態(tài)板塊更多產(chǎn)品,http://m.uishuku.cn/shengtai/。


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