目前，開路渦動相關系統已廣泛于應用于各類生態系統-大氣間的二氧化碳（CO₂）和甲烷（CH₄）通量的測量，能夠適應復雜的樣地環境，但仍然存在氣體檢測種類單一，測量精度無法滿足痕量氣體，雨雪天氣數據不連續等問題。

CPEC-AZ閉路式渦度通量系統因設計原理不同，能對環境中多種痕量溫室氣體及其同位素氣體進行同時測量。測量檢測限低，精度可達ppt級，測量頻率可達10Hz,能夠進行高頻的持續觀測。可觀測氣體種類多，并能夠滿足多種氣體同時測量的需要，且限度地避免突發天氣對儀器的干擾。

此外，還能同步測量多種含碳、含氮痕量氣體及氣體同位素，如：

 CO/CO₂/CH₄/C₂H₄/HCHO/CHOOH/COS/SO₂

NO/N₂O/NO₂/NH₃/ HONO/ HNO₃

 ¹³C-CO₂, ¹⁸O-CO₂, ¹⁷O-CO₂，HOD, 

¹⁵N¹⁴N¹⁶O（δ¹⁵N^α）, ¹⁴N¹⁵N¹⁶O（δ¹⁵N^β）

 

系統組成

該系統主機Aerodyne閉路氣體分析儀采用可調諧紅外激光直接吸收光譜（TILDAS）技術， 用中紅外激光探測氣體分子，的像散型多光程吸收池技術有效測量光程高達210m，有效提高氣體分子的測量精度，達ppt級。

該系統由Aerodyne閉路式氣體分析儀、超聲風速采集模塊、數據整合軟件、恒溫機箱、采氣管路等組成。

超聲風速采集模塊可與已有的開路渦度相關法通量觀測系統共用，在超聲風速儀中心設置采樣管，即可完成原有的開路渦度相關法系統升級，同步觀測多種氣體。

系統優勢    
01    該系統采用的Aerodyne閉路氣體分析儀對痕量氣體測量頻率可達10Hz,能滿足渦度相關法通量觀測條件，測量精度高，檢測限可達ppt級。各種氣體測量精度見技術指標。

02    該系統可同步觀測多種氣體，部分氣體分子組合如下（可根據科研需要，提供近百種氣體組合）：

                                            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

采用活性鈍化系統后，NH₃測量的時間常數和高頻通量變化（時間常數更快）

03   該系統還可同步觀測多種氣體同位素，部分氣體同位素組合如下：

                                                          1、N₂O、¹⁵N¹⁴N¹⁶O、 ¹⁴N¹⁵N¹⁶O、 ¹⁴N¹⁴N¹⁸O      

                                                          2、CH₄、 ¹³CH₄、CH₃D 

                                                          3、CO₂、¹³C-CO₂、¹⁷O-CO₂、¹⁸O-CO₂    

04  技術活性鈍化裝置可顯著提高粘性氣體分子如NH₃、HONO等的響應時間，實現粘性氣體和非粘性氣體的同步觀測，如 N₂O、CO₂、NH₃、O₃、CO、H₂O同步觀測。

05  慣性顆粒物分離裝置，能有效減少顆粒物附著，確保兩次采樣不會交叉污染。

06   該系統能夠實現自動全量程校準和零點校準。

技術指標   該系統可測量氣體分子、1s及100s測量精度、相應時間如下：

常見痕量溫室氣體

含碳氣體同位素：

含氮氣體同位素：

應用案例

01  
    
    意大利北部土壤農田氮施加控制試驗，通過CPEC方法探究氨態氮（NH₄⁺-N\NH₃）內部轉化過程及氨氣（NH₃）恢復性流失。

結果表明：氮施加實驗后24和30h的NH₃排放水平為138.3μg m^-2s^-1和243.5μg m^-2s^-1，NH₄-N的總損失比例在兩次擴散實驗后7天分別為19.4％ 和28.5％。

02  

    中國亞熱帶典型的蔬菜田利用CPEC方法同時測量一氧化二氮（N₂O），甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂）通量。

N₂O，CH₄和CO₂（實心圓）和氣溫（空心圓）的頻率加權歸一化共譜）以及相應的高頻共譜傳遞函數

結果表明： 通過Aerodyne雙激光分析儀的檢測結果計算出N₂O的中值精度（1σ）為0.14 nmol/mol ，在野外條件下，采樣頻率為10 Hz時，CH₄的摩爾濃度為3.3 nmol/mol，CO₂的摩爾濃度為0.36μmol/mol。

03    
 
      美國馬薩諸塞州溫帶森林中生態系統-大氣二氧化碳凈交換（NEE）的同位素組份（即¹²C¹⁶O₂、¹³C¹⁶O₂和¹⁸O¹²C¹⁶O的凈交換量）CPEC方法測量^【3】。

通過EC(實線)和EC/Flask(虛線)估算的6月（橙色）7月（綠色）、8月（藍色）和9月（紫色）的δ¹³C日變化。EC循環已平滑至2h，并且僅展示了CO₂通量小于-2 mol m^-2 s^-1的時間。

NEE中δ¹⁸O 6月（橙色）7月（綠色）、8月（藍色）和9月（紫色）的δ¹³C日變化，EC結果已平滑至2h

結果表明： NEE中的¹³C組份表現出日變化的趨勢，可能反映了光合作用的擴散和生化限制之間的平衡轉移。白天，¹⁸O同位素通量表現出與蒸發的¹⁸O葉片水富集有關的特征。同位素通量和NEE中的¹³C組份都有明顯的季節性變化，NEE中的¹⁸O組份逐月更一致。

04

瑞士中部集約化經營草地采用量子級聯激光吸收光譜法（QCLAS）對N₂O同位素表征。

標氣（紅色）和表層（黑色）N₂O摩爾分數（頂部）和同位素值（三個底部面板）在原為實驗期間的大氣表層測量

結果表明：同步渦度協方差N₂O通量測量確定了土壤中N₂O的通量平均同位素特征，集約經營草地N₂O的通量平均同位素組成SP、δ¹⁵N^buk和δ¹⁸O分別為6.9±4.3‰、-17.4±6.2‰和27.4±3.6‰。

05

美國哈佛森林溫帶落葉林通過羰基硫的吸收確立了林冠層氣孔導度，蒸騰和蒸發的動態變化。

冠層OCS吸收和初級生產總值（GPP）隨著葉相關吸收（LRU）和光和有效輻射（PAR）的綜合月變化

冠層OCS吸收和初級生產總值（GPP）隨著葉相關吸收（LRU）和光和有效輻射（PAR）的綜合晝夜循環

結果表明：在這個溫帶的落葉森林林地中，基于土壤中OCS含量預測土壤始終是羰基硫的匯。OCS通量測量可以作為探測其他生態系統中的氣孔導度的通用工具，并且可在葉片尺度和實驗室研究中用作探測氣孔導度的通用工具。 

參考文獻

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【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.

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【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.

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END