一種溫室氣體排放通量的中紅外光譜測量系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種溫室氣體排放通量的中紅外光譜測量系統及方法。測量系統主要采用二路進樣自動轉換氣路、氣體樣品池、傅里葉變換紅外（FTIR）光譜儀、三維超聲風速儀和計算機。本發明根據FTIR光譜儀測量的溫室氣體的混合比濃度和三維超聲風速儀測量的濃度測量高度附近的近地層風場信息來獲得被測氣體的排放通量。
【專利說明】一種溫室氣體排放通量的中紅外光譜測量系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及環境監測與保護、氣體排放光學檢測技術與方法領域，具體為一種溫室氣體排放通量的中紅外光譜測量系統及方法。
【背景技術】
[0002]大氣中溫室氣體濃度的增加引起的全球變暖已經成為全世界面臨的重要的環境問題。大氣中C02、CH4和N2O對溫室效應的貢獻率約80%，農業土壤和草地是這些溫室氣體排放的重要源。為了控制溫室氣體的排放，需要更好地理解生態系統主要溫室氣體排放的基本過程和變化規律，這就需要溫室氣體源排放與生態通量的測量技術和系統。
[0003]目前，測量生態系統地表-大氣間溫室氣體交換的常用方法是箱式方法。箱式方法通常和測量氣體濃度的氣相色譜法相結合，在測量農田、草地和森林土壤的溫室氣體排放中應用廣泛。箱式方法儀器成本低，靈敏度高。但是，氣相色譜法需要采樣帶回實驗室分析，難以實現實時在線測量。并且，箱式方法的代表尺度一般很小(通常從0.01到lm2)，不適合大面積的測量或區域的測量。
[0004]對于空間排放不均勻的源，適合采用微氣象學方法進行測量，因為它們測量的是平均排放速率，并且不會對源的排放產生干擾。通量-梯度技術是傳統的微氣象學方法，通過測量氣象要素和待測氣體濃度的垂直分布來獲得氣體的排放通量。在該技術中，通常測量兩個高度的氣體濃度差，考慮到植被冠層的影響，待測氣體的地表排放通量為
【權利要求】
1.一種溫室氣體排放通量的中紅外光譜測量系統，其特征在于包括:不同采樣高度的第一進氣口(I)和第二進氣口(2)、第一氣閥(3)、第二氣閥(4)、三通閥(5)、Nafion管(6)、裝有化學干燥劑的干燥管(7)、氣體質量流量控制計(8)、氣體樣品池(10)、FTIR光譜儀(11)、抽氣泵(12)、氮氣吹掃泵(13)、計算機(14)和三維超聲風速儀(15);所述第一氣閥(3)和第二氣閥(4)分別控制第一進氣口( I)和第二進氣口(2)中的氣體進入氣體傳輸氣路；所述三通閥(5 )具有a、b、c三個方向的閥口，a方向閥口分別與第一氣閥(3 )和第二進氣閥(4)相連，b方向閥口接入待測樣品氣體傳輸氣路，c方向閥口接入干燥純氮氣或標準樣氣；當氣體樣品池(10)抽入第一進氣口( I)或第二進氣口(2)采樣氣體時，三通閥(5)的a-b方向閥口氣路通氣，c-b方向閥口氣路閉合；當氣體樣品池(10)抽入氮氣或標準樣氣時，三通閥(5 )的c-b方向閥口氣路通氣，a-b方向閥口氣路閉合；所述Nafion管(6 )和干燥管(7)用于對進入氣體樣品池(10)前的氣體進行干燥，去除水汽的影響；氣體樣品池(10)的出氣口連接一個抽氣泵(12)，抽氣泵(12)連續工作；FTIR光譜儀(11)與氣體樣品池(10)共同置于密封箱(9)內；氣體樣品池(10)的進氣口用一個氣體質量流量控制計(8)來控制氣體流量；所述的抽氣泵(12)抽取環境大氣到第一進氣口( I)或第二進氣口(2)中；所述氮氣吹掃泵(13)置于密封箱(9)附近；所述三維超聲風速儀(15)置于第一進氣口( I)和第二進氣口(2)附近，用于實時測量兩個進氣口采樣高度附近周圍環境的風場特征信息；所述FTIR光譜儀(11)用于測量兩個高度采樣的樣品氣體濃度；所述第一進氣口(I)和第二進氣口(2)采樣的氣體在抽氣泵(12)的作用下分別依次通過管路連通的第一氣閥(3)、第二氣閥(4)、三通閥(5 )、Naf ion管(6 )、干燥管(7 )和氣體質量流量控制計(8 )進入氣體樣品池(10)，由FTIR光譜儀(11)采集通過氣體樣品池(10)的待測氣體的紅外光譜；所述FTIR光譜儀(11)、三維超聲風速儀(15)、第一氣閥(3)和第二氣閥(4)、三通閥(5)均由所述計算機(14)控制，將FTIR光譜儀(11)測量的兩個高度采樣的樣品氣體濃度與三維超聲風速儀(15)測量的風場特征信息在取平均，代入計算機(14)中，通過計算機(14)計算獲得測量系統所在區域內待測氣體的地表排放通量。
2.根據權利要求1所述的溫室氣體排放通量的中紅外光譜測量系統，其特征在于:所述第一進氣口(I)和第二進氣口(2)的采樣高度在測量區域植被冠層頂部以上2h高度的慣性亞層內，h是植被冠層的高度·。
3.根據權利要求1所述的溫室氣體排放通量的中紅外光譜測量系統，其特征在于:所述的抽氣泵(12)的流速為3L mirT1。
4.根據權利要求1所述的溫室氣體排放通量的中紅外光譜測量系統，其特征在于:所述干燥管(7)中的化學干燥劑為無水高氯酸鎂干燥劑。
5.根據權利要求1所述的溫室氣體排放通量的中紅外光譜測量系統，其特征在于:所述氣體樣品池(10)為多通道反射樣品池，容積為16L,光程為46m。
6.根據權利要求1所述的溫室氣體排放通量的中紅外光譜測量系統，其特征在于:所述氣體質量流量控制計(8)控制氣體流量的流速范圍為0.5-1.5L mirT1。
7.根據權利要求1所述的溫室氣體排放通量的中紅外光譜測量系統，其特征在于:所述密封箱(9)為有機玻璃，有吹掃口，在采集光譜過程中氮氣吹掃泵(13)以IL mirT1流速向密封箱(9)實時吹掃干燥高純氮氣。
8.根據權利要求1所述的溫室氣體排放通量的中紅外光譜測量系統，其特征在于:所述三維超聲風速儀(15)測量高度的范圍為2m-3m。
9.一種溫室氣體排放通量的中紅外光譜測量方法，其特征在于實現如下: 首先用抽氣泵(12)將氣體樣品池(10)抽成固定的低壓，所述低壓低于50mb，然后向氣體樣品池(10)抽入高純氮氣即9.99%，待氣體樣品池(10)內高純氮氣保持在恒定壓力和恒定溫度后，所述恒定壓力范圍為800mb到lOOOmb，所述恒定溫度范圍為28°C到30°C，利用FTIR光譜儀(11)采集高純氮氣光譜作為背景光譜；當采集完背景光譜后，將氣體樣品池(10)抽成固定的低壓，然后向氣體樣品池(10)中充入C02、CH4和N2O混合的標準樣氣，待氣體樣品池(10)內標準樣氣保持在恒定壓力和恒定溫度后，利用FTIR光譜儀(11)采集標準樣氣光譜，由背景光譜和標準樣氣光譜反演得到標準樣氣中C02、CH4和N2O的濃度值，由反演的各氣體濃度值與標準樣氣中實際的濃度值進行比較得到校準系數，作為待測氣體校準的依據；通過第一進氣口(I)向氣體樣品池(10)中抽入環境大氣至恒定壓力和恒定溫度后，利用FTIR光譜儀(11)采集樣品氣體光譜，由背景光譜和樣品氣體光譜反演得到環境大氣中CO2XH4和N2O的濃度值，再結合校準系數對各氣體的反演值進行修正得到環境大氣各氣體測量值，測量完成后，將氣體樣品池(10)抽成固定的低壓；然后通過第二進氣口(2)向氣體樣品池(10)中抽入環境大氣至恒定壓力和恒定溫度后利用FTIR光譜儀(11)采集樣品氣體光譜，由背景光譜和樣品氣體光譜反演得到環境大氣中C02、CH4和N2O的濃度值，再結合校準系數對各氣體的反演值進行修正得到環境大氣各氣體測量值，測量完成后，將氣體樣品池(10)抽成固定的低壓；第一進氣口(I)和第二進氣口(2)分別由第一氣閥(3)和第二氣閥(4)控制依次抽入環境大氣到氣體傳輸氣路，除了每天定時的校準過程，第一進氣口(I)和第二進氣口(2)依次抽氣到氣體樣品池(10)進行光譜分析的兩個過程交替進行； 在FTIR光譜儀(11)測量兩個高度采樣的樣品氣體濃度的同時，用三維超聲風速儀(15)實時測量進氣口采樣高度附近周圍環境的風場特征信息，包括速度u*和氣穩定度長度L，將FTIR光譜儀(11)測量的兩個高度采樣的樣品氣體濃度與三維超聲風速儀(15)測量的風場特征信息分別在30分鐘內取`平均，輸入至計算機(14)中，獲得測量系統所在區域內待測氣體的地表排放通量。
【文檔編號】G01N21/3504GK103852437SQ201410108340
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年3月22日 優先權日:2014年3月22日
【發明者】王薇, 劉文清, 張天舒 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院