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文章推薦 | 使用TDLAS開路水汽分析儀測量蒸散發通量
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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揮著重要作用。可靠觀測和準確估算大氣水汽(H2O)通量對于生態系統管理和地球系統模型的開發至關重要。目前，渦度協方差(EC)技術被為是測量各種生態系統類型中能量、碳和水蒸氣湍流通量的標準方法，該技術的發展主要依賴快速響應的水汽濃度傳感器。
為滿足研究需要，海爾欣·昕甬智測聯合中國科學院大氣物理研究所王凱所在的研究團隊與寧波諾丁漢大學研發了一款高精度快響應的開路式激光水汽分析儀——HT1800。該儀器基于可調諧激光吸收光譜(TDLAS)技術，采用近紅外波段(1392 nm)的激光源和開放式的測量光路，實現大氣水汽濃度的高頻(10 Hz)連續測定，以最小擾動捕捉水汽的湍流脈動變化，進而基于渦動相關原理直接獲得地表與大氣間的水汽交換通量，是測量潛熱通量，ET通量，和對其他氣體通量進行水汽校正的儀器。
研究團隊制備了兩臺HT1800水汽開路分析儀，其激光波長分別為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的相互比較實驗，對這兩種分析儀的現場性能進行了評估(圖1)。三種分析儀測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，HT1800測得的半小時平均水通量與LI-7500RS和IRGASON的測量結果高度一致，差異僅為−0.2%~1.6%(圖2)，表明HT1800可以準確地測量大氣中的水分含量。HT1800在數據可用性、通量檢測限和對高頻湍流變化的響應等方面也適用于歐共體應用。
此外，團隊還研究了光譜效應如何影響 H2O 密度和通量的測量。發現波長為1392nm的激光器更容易受到光譜效應的影響，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器的成本優勢，以及實現量產后將具有的競爭優勢，該儀器可為地表蒸散發的高頻測量和其他痕量氣體通量的水汽干擾效應矯正提供一種經濟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進口儀器(LI-7500RS和IRGASON)野外對比觀測
圖2 HT1800開路式水汽分析儀與兩款美國進口儀器(LI-7500RS和IRGASON)測量的水汽濃度和通量對比
HT1800開路式水汽分析儀
經濟實用，易于安裝和維護
適合渦動協方差對中等區域的蒸散發(ET)測量
開放式路徑，測量頻率高達20Hz
無其他氣體分子的交叉干擾
無運動部件，穩定可靠
長壽命，適用于多種現場部署
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.