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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(fā)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(tài)系統(tǒng)管理和地球系統(tǒng)模型的開發(fā)至關(guān)重要。目前，渦度協(xié)方差(EC)技術(shù)被為是測量各種生態(tài)系統(tǒng)類型中能量、碳和水蒸氣湍流通量的標準方法，該技術(shù)的發(fā)展主要依賴快速響應(yīng)的水汽濃度傳感器。
為滿足研究需要，海爾欣·昕甬智測聯(lián)合中國科學(xué)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(xué)研發(fā)了一款高精度快響應(yīng)的開路式激光水汽分析儀——HT1800。該儀器基于可調(diào)諧激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)，采用近紅外波段(1392 nm)的激光源和開放式的測量光路，實現(xiàn)大氣水汽濃度的高頻(10 Hz)連續(xù)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(guān)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(xiàn)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(jié)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(shù)據(jù)可用性、通量檢測限和對高頻湍流變化的響應(yīng)等方面也適用于歐共體應(yīng)用。
此外，團隊還研究了光譜效應(yīng)如何影響 H2O 密度和通量的測量。發(fā)現(xiàn)波長為1392nm的激光器更容易受到光譜效應(yīng)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(yōu)勢，以及實現(xiàn)量產(chǎn)后將具有的競爭優(yōu)勢，該儀器可為地表蒸散發(fā)的高頻測量和其他痕量氣體通量的水汽干擾效應(yīng)矯正提供一種經(jīng)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(jīng)濟實用，易于安裝和維護
適合渦動協(xié)方差對中等區(qū)域的蒸散發(fā)(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(wěn)定可靠
長壽命，適用于多種現(xiàn)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.
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