CN103852437A - 一种温室气体排放通量的中红外光谱测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温室气体排放通量的中红外光谱测量系统及方法。测量系统主要采用二路进样自动转换气路、气体样品池、傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪、三维超声风速仪和计算机。本发明根据FTIR光谱仪测量的温室气体的混合比浓度和三维超声风速仪测量的浓度测量高度附近的近地层风场信息来获得被测气体的排放通量。

Description

一种温室气体排放通量的中红外光谱测量系统及方法

技术领域

本发明涉及环境监测与保护、气体排放光学检测技术与方法领域，具体为一种温室气体排放通量的中红外光谱测量系统及方法。

背景技术

大气中温室气体浓度的增加引起的全球变暖已经成为全世界面临的重要的环境问题。大气中CO₂、CH₄和N₂O对温室效应的贡献率约80%，农业土壤和草地是这些温室气体排放的重要源。为了控制温室气体的排放，需要更好地理解生态系统主要温室气体排放的基本过程和变化规律，这就需要温室气体源排放与生态通量的测量技术和系统。

目前，测量生态系统地表-大气间温室气体交换的常用方法是箱式方法。箱式方法通常和测量气体浓度的气相色谱法相结合，在测量农田、草地和森林土壤的温室气体排放中应用广泛。箱式方法仪器成本低，灵敏度高。但是，气相色谱法需要采样带回实验室分析，难以实现实时在线测量。并且，箱式方法的代表尺度一般很小（通常从0.01到1m²），不适合大面积的测量或区域的测量。

对于空间排放不均匀的源，适合采用微气象学方法进行测量，因为它们测量的是平均排放速率，并且不会对源的排放产生干扰。通量-梯度技术是传统的微气象学方法，通过测量气象要素和待测气体浓度的垂直分布来获得气体的排放通量。在该技术中，通常测量两个高度的气体浓度差,考虑到植被冠层的影响，待测气体的地表排放通量为

$F_g=\frac{{\mathrm{ku}}_{*}{\mathrm{\ρ}}_a(\stackrel{\‾}{C_{g,1}}-\stackrel{\‾}{C_{g,2}})}{\ln \left(\frac{z_2-d}{z_1-d}\right)-[\mathrm{\ψ}(z_2-d)-\mathrm{\ψ}(z_1-d)]}---\left(1\right)$

这里F_g是待测气体的通量密度，k是卡曼常数，u_*是摩擦速度，ρ_a是空气密度，C_g是待测气体的浓度，z₁和z₂是两个测量高度，d是零平面位移，ψ是稳定度函数。通量-梯度技术理论成熟，不需要快速响应的仪器，成本低，测量代表的尺度大。

大气中温室气体通量测量的精确度很大程度上取决于气体浓度测量的精度和准确度。吸收光谱技术测量速度快、测量范围广，便于长期连续测量。吸收光谱法中最常用的技术是可调谐二极管激光（TDLAS）吸收光谱技术和FTIR光谱技术。TDLAS光谱技术灵敏度高，分辨率高，响应速度快，但能同时测量的气体成分有限。FTIR光谱技术灵敏度高，光谱分辨率高，并且可进行多组分同时测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种温室气体排放通量的中红外光谱测量系统及方法，弥补温室气体排放通量传统测量技术手段的不足，能够实现对农田、施肥草地等CO₂、CH₄、N₂O温室气体排放的高精度、实时在线、无人值守的测量；同时具有快速、简便、多组分同时测量的优点。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：温室气体排放通量的中红外光谱测量系统，包括不同采样高度的第一进气口（1）和第二进气口（2）、第一气阀（3）、第二气阀（4）、三通阀（5）、Nafion管（6）、装有化学干燥剂的干燥管（7）、气体质量流量控制计（8）、气体样品池（10）、FTIR光谱仪（11）、抽气泵（12）、氮气吹扫泵（13）、计算机（14）和三维超声风速仪（15）；所述第一气阀（3）和第二气阀（4）分别控制第一进气口（1）和第二进气口（2）中的气体进入气体传输气路；所述三通阀（5）具有a、b、c三个方向的阀口，a方向阀口分别与第一气阀（3）和第二进气阀（4）相连，b方向阀口接入待测样品气体传输气路，c方向阀口接入干燥纯氮气或标准样气；当气体样品池（10）抽入第一进气口（1）或第二进气口（2）采样气体时，三通阀（5）的a-b方向阀口气路通气，c-b方向阀口气路闭合；当气体样品池（10）抽入氮气或标准样气时，三通阀（5）的c-b方向阀口气路通气，a-b方向阀口气路闭合；所述Nafion管（6）和干燥管（7）用于对进入气体样品池（10）前的气体进行干燥，去除水汽的影响；气体样品池（10）的出气口连接一个抽气泵（12），抽气泵（12）连续工作；FTIR光谱仪（11）与气体样品池（10）共同置于密封箱（9）内；气体样品池（10）的进气口用一个气体质量流量控制计（8）来控制气体流量；所述的抽气泵（12）抽取环境大气到第一进气口（1）或第二进气口（2）中；所述氮气吹扫泵（13）置于密封箱（9）附近；所述三维超声风速仪（15）置于第一进气口（1）和第二进气口（2）附近，用于实时测量两个进气口采样高度附近周围环境的风场特征信息；所述FTIR光谱仪（11）用于测量两个高度采样的样品气体浓度；所述第一进气口（1）和第二进气口（2）采样的气体在抽气泵（12）的作用下分别依次通过管路连通的第一气阀（3）、第二气阀（4）、三通阀（5）、Nafion管（6）、干燥管（7）和气体质量流量控制计（8）进入气体样品池（10），由FTIR光谱仪（11）采集通过气体样品池（10）的待测气体的红外光谱；所述FTIR光谱仪（11）、三维超声风速仪（15）、第一气阀（3）和第二气阀（4）、三通阀（5）均由所述计算机（14）控制，将FTIR光谱仪（11）测量的两个高度采样的样品气体浓度与三维超声风速仪（15）测量的风场特征信息在取平均，代入计算机（14）中，通过计算机（14）中软件的分析计算获得测量系统所在区域内待测气体的地表排放通量。

所述第一进气口（1）和第二进气口（2）的采样高度应该在测量区域植被冠层顶部以上约2h高度的惯性亚层内，h是植被冠层的高度。

所述的抽气泵（12）的流速为3L min^-1。

所述干燥管（7）中的化学干燥剂为无水高氯酸镁干燥剂。

所述气体样品池（10）为多通道反射样品池，容积为16L，光程为46m。

所述气体质量流量控制计（8）控制气体流量的流速范围为0.5-1.5L min^-1。

所述密封箱（9）为有机玻璃，有吹扫口，在采集光谱过程中氮气吹扫泵（13）以1L min^-1流速向密封箱（9）实时吹扫干燥高纯氮气。

所述三维超声风速仪（15）测量高度的范围为2m-3m。

一种温室气体排放通量的中红外光谱测量方法，步骤为：首先用抽气泵（12）将气体样品池（10）抽成固定的低压（低于50mb），然后向气体样品池（10）抽入高纯氮气（99.99%），待气体样品池（10）内高纯氮气保持在恒定压力和恒定温度后（压力一般在800mb到1000mb之间，温度在28℃到30℃之间），利用FTIR光谱仪（11）采集高纯氮气光谱作为背景光谱；当采集完背景光谱后，将气体样品池（10）抽成固定的低压（低于50mb），然后向气体样品池（10）中充入CO₂、CH₄和N₂O混合的标准样气，待气体样品池（10）内标准样气保持在恒定压力和恒定温度后（压力一般在800mb到1000mb之间，温度在28℃到30℃之间），利用FTIR光谱仪（11）采集标准样气光谱，由背景光谱和标准样气光谱反演得到标准样气中CO₂、CH₄和N₂O的浓度值，由反演的各气体浓度值与标准样气中实际的浓度值进行比较得到校准系数，作为待测气体校准的依据；通过第一进气口（1）向气体样品池（10）中抽入环境大气至恒定压力和恒定温度后（压力一般在800mb到1000mb之间，温度在28℃到30℃之间），利用FTIR光谱仪（11）采集样品气体光谱，由背景光谱和样品气体光谱反演得到环境大气中CO₂、CH₄和N₂O的浓度值，再结合校准系数对各气体的反演值进行修正得到环境大气各气体测量值，测量完成后，将气体样品池（10）抽成固定的低压（低于50mb）；然后通过第二进气口（2）向气体样品池（10）中抽入环境大气至恒定压力和恒定温度后（压力一般在800mb到1000mb之间，温度在28℃到30℃之间）利用FTIR光谱仪（11）采集样品气体光谱，由背景光谱和样品气体光谱反演得到环境大气中CO₂、CH₄和N₂O的浓度值，再结合校准系数对各气体的反演值进行修正得到环境大气各气体测量值，测量完成后，将气体样品池（10）抽成固定的低压（低于50mb）；第一进气口（1）和第二进气口（2）分别由第一气阀（3）和第二气阀（4）控制依次抽入环境大气到气体传输气路，除了每天定时的校准过程，第一进气口（1）和第二进气口（2）依次抽气到气体样品池（10）进行光谱分析的两个过程交替进行。

在FTIR光谱仪（11）测量两个高度采样的样品气体浓度的同时，用三维超声风速仪（15）实时测量进气口采样高度附近周围环境的风场特征信息，例如摩擦速度u*、大气稳定度长度L等，将FTIR光谱仪（11）测量的两个高度采样的样品气体浓度与三维超声风速仪（15）测量的风场特征信息分别在30分钟内取平均，输入至计算机（14）中，利用公式（1），获得测量系统所在区域内待测气体的地表排放通量。

本发明与现有技术相比的优点如下：

（1）本发明可以实现实时、在线、无人值守测量农田或草地的温室气体的地表排放。

（2）本发明可以实现同时测量多组分温室气体的地表排放，例如同时测量CO₂、CH₄和N₂O的排放。

（3）本发明可以实现较大区域地表排放的测量，根据测量高度的不同，测量代表的尺度可以由10000到20000m²。

附图说明

图1为本发明结构原理图。

注：图中实线代表气体传输气路，虚线代表数据线，点线代表光路。

具体实施方式

如图1所示，本发明的温室气体排放通量的中红外光谱测量系统，包括不同采样高度的第一进气口1和第二进气口2、第一气阀3、第二气阀4、三通阀5、Nafion管6、装有化学干燥剂的干燥管7、气体质量流量控制计8、气体样品池10、FTIR光谱仪11、抽气泵12、氮气吹扫泵13、计算机14和三维超声风速仪15；第一气阀3和第二气阀4分别控制第一进气口1和第二进气口2中的气体进入气体传输气路；三通阀5具有a、b、c三个方向的阀口，a方向阀口分别与第一气阀3和第二进气阀4相连，b方向阀口接入待测样品气体传输气路，c方向阀口接入干燥纯氮气或标准样气；当气体样品池10抽入第一进气口1或第二进气口2采样气体时，三通阀5的a-b方向阀口气路通气，c-b方向阀口气路闭合；当气体样品池10抽入氮气或标准样气时，三通阀5的c-b方向阀口气路通气，a-b方向阀口气路闭合；Nafion管6和干燥管7用于对进入气体样品池10前的气体进行干燥，去除水汽的影响；气体样品池10的出气口连接一个抽气泵12，抽气泵12连续工作；FTIR光谱仪11与气体样品池10共同置于密封箱9内；气体样品池10的进气口用一个气体质量流量控制计8来控制气体流量；抽气泵12抽取环境大气到第一进气口1或第二进气口2中；氮气吹扫泵13置于密封箱9附近；三维超声风速仪15置于第一进气口1和第二进气口2附近，用于实时测量两个进气口采样高度附近周围环境的风场特征信息；FTIR光谱仪11用于测量两个高度采样的样品气体浓度；第一进气口1和第二进气口2采样的气体在抽气泵12的作用下分别依次通过管路连通的第一气阀3、第二气阀4、三通阀5、Nafion管6、干燥管7和气体质量流量控制计8进入气体样品池10，由FTIR光谱仪11采集通过气体样品池10的待测气体的红外光谱；FTIR光谱仪11、三维超声风速仪15、第一气阀3和第二气阀4、三通阀5均由计算机14控制，将FTIR光谱仪11测量的两个高度采样的样品气体浓度与三维超声风速仪15测量的风场特征信息取平均，代入计算机14中，通过计算机14中的软件的分析计算获得测量系统所在区域内待测气体的地表排放通量。

首先用抽气泵12将气体样品池10抽成固定的低压（低于50mb），然后向气体样品池10抽入高纯氮气（99.99%），待气体样品池10内高纯氮气保持在恒定压力和恒定温度后（压力一般在800mb到1000mb之间，温度在28℃到30℃之间），利用FTIR光谱仪11采集高纯氮气光谱作为背景光谱；当采集完背景光谱后，将气体样品池10抽成固定的低压（低于50mb），然后向气体样品池10中充入CO₂、CH₄和N₂O混合的标准样气，待气体样品池10内标准样气保持在恒定压力和恒定温度后（压力一般在800mb到1000mb之间，温度在28℃到30℃之间），利用FTIR光谱仪11采集标准样气光谱，由背景光谱和标准样气光谱反演得到标准样气中CO₂、CH₄和N₂O的浓度值，由反演的各气体浓度值与标准样气中实际的浓度值进行比较得到校准系数，作为待测气体校准的依据；通过第一进气口1向气体样品池10中抽入环境大气至恒定压力和恒定温度后（压力一般在800mb到1000mb之间，温度在28℃到30℃之间），利用FTIR光谱仪11采集样品气体光谱，由背景光谱和样品气体光谱反演得到环境大气中CO₂、CH₄和N₂O的浓度值，再结合校准系数对各气体的反演值进行修正得到环境大气各气体测量值，测量完成后，将气体样品池10抽成固定的低压（低于50mb）；然后通过第二进气口2向气体样品池10中抽入环境大气至恒定压力和恒定温度后（压力一般在800mb到1000mb之间，温度在28℃到30℃之间）利用FTIR光谱仪11采集样品气体光谱，由背景光谱和样品气体光谱反演得到环境大气中CO₂、CH₄和N₂O的浓度值，再结合校准系数对各气体的反演值进行修正得到环境大气各气体测量值，测量完成后，将气体样品池10抽成固定的低压（低于50mb）；第一进气口1和第二进气口2分别由第一气阀3和第二气阀4控制依次抽入环境大气到气体传输气路，除了每天定时的校准过程，第一进气口1和第二进气口2依次抽气到气体样品池10进行光谱分析的两个过程交替进行。

在FTIR光谱仪11测量两个高度采样的样品气体浓度的同时，用三维超声风速仪15实时测量进气口采样高度附近周围环境的风场特征信息，例如摩擦速度u*、大气稳定度长度L等，将FTIR光谱仪11测量的两个高度采样的样品气体浓度与三维超声风速仪15测量的风场特征信息分别在30分钟内取平均，输入至计算机14中，利用公式（1），获得测量系统所在区域内待测气体的地表排放通量。

在通量-梯度技术中，待测气体的地表排放通量为：

$F_g=\frac{{\mathrm{ku}}_{*}{\mathrm{\ρ}}_a(\stackrel{\‾}{C_{g,1}}-\stackrel{\‾}{C_{g,2}})}{\ln \left(\frac{z_2-d}{z_1-d}\right)-[\mathrm{\ψ}(z_2-d)-\mathrm{\ψ}(z_1-d)]}---\left(1\right)$

这里F_g是待测气体的通量密度，k是卡曼常数，u_*是摩擦速度，ρ_a是空气密度，C_g是待测气体的浓度，z₁和z₂是两个测量高度，d是零平面位移，ψ是稳定度函数。在大气中性条件下，所有的高度上ψ＝0。在稳定条件下ψ的常用形式是:

ψ＝-5z/L              （2）

在不稳定条件下，

ψ＝2ln[(1+x²)/2]                （3）

这里L是Monin–Obukhov稳定度长度,x＝(1-16z/L)^1/4。

总之，本发明把测量温室气体浓度的FTIR技术和测量气体排放的通量-梯度技术相结合，研发了一套温室气体排放通量的中红外光谱测量系统，能够实现对农田、施肥草地等CO₂、CH₄、N₂O温室气体排放的高精度、实时在线、无人值守的测量。利用本发明的温室气体通量测量系统可以有效弥补传统测量技术的缺陷。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种温室气体排放通量的中红外光谱测量系统，其特征在于包括：不同采样高度的第一进气口（1）和第二进气口（2）、第一气阀（3）、第二气阀（4）、三通阀（5）、Nafion管（6）、装有化学干燥剂的干燥管（7）、气体质量流量控制计（8）、气体样品池（10）、FTIR光谱仪（11）、抽气泵（12）、氮气吹扫泵（13）、计算机（14）和三维超声风速仪（15）；所述第一气阀（3）和第二气阀（4）分别控制第一进气口（1）和第二进气口（2）中的气体进入气体传输气路；所述三通阀（5）具有a、b、c三个方向的阀口，a方向阀口分别与第一气阀（3）和第二进气阀（4）相连，b方向阀口接入待测样品气体传输气路，c方向阀口接入干燥纯氮气或标准样气；当气体样品池（10）抽入第一进气口（1）或第二进气口（2）采样气体时，三通阀（5）的a-b方向阀口气路通气，c-b方向阀口气路闭合；当气体样品池（10）抽入氮气或标准样气时，三通阀（5）的c-b方向阀口气路通气，a-b方向阀口气路闭合；所述Nafion管（6）和干燥管（7）用于对进入气体样品池（10）前的气体进行干燥，去除水汽的影响；气体样品池（10）的出气口连接一个抽气泵（12），抽气泵（12）连续工作；FTIR光谱仪（11）与气体样品池（10）共同置于密封箱（9）内；气体样品池（10）的进气口用一个气体质量流量控制计（8）来控制气体流量；所述的抽气泵（12）抽取环境大气到第一进气口（1）或第二进气口（2）中；所述氮气吹扫泵（13）置于密封箱（9）附近；所述三维超声风速仪（15）置于第一进气口（1）和第二进气口（2）附近，用于实时测量两个进气口采样高度附近周围环境的风场特征信息；所述FTIR光谱仪（11）用于测量两个高度采样的样品气体浓度；所述第一进气口（1）和第二进气口（2）采样的气体在抽气泵（12）的作用下分别依次通过管路连通的第一气阀（3）、第二气阀（4）、三通阀（5）、Nafion管（6）、干燥管（7）和气体质量流量控制计（8）进入气体样品池（10），由FTIR光谱仪（11）采集通过气体样品池（10）的待测气体的红外光谱；所述FTIR光谱仪（11）、三维超声风速仪（15）、第一气阀（3）和第二气阀（4）、三通阀（5）均由所述计算机（14）控制，将FTIR光谱仪（11）测量的两个高度采样的样品气体浓度与三维超声风速仪（15）测量的风场特征信息在取平均，代入计算机（14）中，通过计算机（14）计算获得测量系统所在区域内待测气体的地表排放通量。

2.根据权利要求1所述的温室气体排放通量的中红外光谱测量系统，其特征在于：所述第一进气口（1）和第二进气口（2）的采样高度在测量区域植被冠层顶部以上2h高度的惯性亚层内，h是植被冠层的高度。

3.根据权利要求1所述的温室气体排放通量的中红外光谱测量系统，其特征在于：所述的抽气泵（12）的流速为3L min^-1。

4.根据权利要求1所述的温室气体排放通量的中红外光谱测量系统，其特征在于：所述干燥管（7）中的化学干燥剂为无水高氯酸镁干燥剂。

5.根据权利要求1所述的温室气体排放通量的中红外光谱测量系统，其特征在于：所述气体样品池（10）为多通道反射样品池，容积为16L，光程为46m。

6.根据权利要求1所述的温室气体排放通量的中红外光谱测量系统，其特征在于：所述气体质量流量控制计（8）控制气体流量的流速范围为0.5-1.5L min^-1。

7.根据权利要求1所述的温室气体排放通量的中红外光谱测量系统，其特征在于：所述密封箱（9）为有机玻璃，有吹扫口，在采集光谱过程中氮气吹扫泵（13）以1L min^-1流速向密封箱（9）实时吹扫干燥高纯氮气。

8.根据权利要求1所述的温室气体排放通量的中红外光谱测量系统，其特征在于：所述三维超声风速仪（15）测量高度的范围为2m-3m。

9.一种温室气体排放通量的中红外光谱测量方法，其特征在于实现如下：

首先用抽气泵（12）将气体样品池（10）抽成固定的低压，所述低压低于50mb，然后向气体样品池（10）抽入高纯氮气即9.99%，待气体样品池（10）内高纯氮气保持在恒定压力和恒定温度后，所述恒定压力范围为800mb到1000mb，所述恒定温度范围为28℃到30℃，利用FTIR光谱仪（11）采集高纯氮气光谱作为背景光谱；当采集完背景光谱后，将气体样品池（10）抽成固定的低压，然后向气体样品池（10）中充入CO₂、CH₄和N₂O混合的标准样气，待气体样品池（10）内标准样气保持在恒定压力和恒定温度后，利用FTIR光谱仪（11）采集标准样气光谱，由背景光谱和标准样气光谱反演得到标准样气中CO₂、CH₄和N₂O的浓度值，由反演的各气体浓度值与标准样气中实际的浓度值进行比较得到校准系数，作为待测气体校准的依据；通过第一进气口（1）向气体样品池（10）中抽入环境大气至恒定压力和恒定温度后，利用FTIR光谱仪（11）采集样品气体光谱，由背景光谱和样品气体光谱反演得到环境大气中CO₂、CH₄和N₂O的浓度值，再结合校准系数对各气体的反演值进行修正得到环境大气各气体测量值，测量完成后，将气体样品池（10）抽成固定的低压；然后通过第二进气口（2）向气体样品池（10）中抽入环境大气至恒定压力和恒定温度后利用FTIR光谱仪（11）采集样品气体光谱，由背景光谱和样品气体光谱反演得到环境大气中CO₂、CH₄和N₂O的浓度值，再结合校准系数对各气体的反演值进行修正得到环境大气各气体测量值，测量完成后，将气体样品池（10）抽成固定的低压；第一进气口（1）和第二进气口（2）分别由第一气阀（3）和第二气阀（4）控制依次抽入环境大气到气体传输气路，除了每天定时的校准过程，第一进气口（1）和第二进气口（2）依次抽气到气体样品池（10）进行光谱分析的两个过程交替进行；

在FTIR光谱仪（11）测量两个高度采样的样品气体浓度的同时，用三维超声风速仪（15）实时测量进气口采样高度附近周围环境的风场特征信息，包括速度u*和气稳定度长度L，将FTIR光谱仪（11）测量的两个高度采样的样品气体浓度与三维超声风速仪（15）测量的风场特征信息分别在30分钟内取平均，输入至计算机（14）中，获得测量系统所在区域内待测气体的地表排放通量。

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