CN109375286B - 一种海气通量的自动测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海气通量的自动测量装置及方法，所述测量方法包括如下步骤：通过海水采样及溶解气体分离装置采集海水样品，并进行测量，获得所述海水样品中的气体的溶解含量；所述气体包括甲烷和/或二氧化碳；通过气象仪测量出海洋水面上方10m高度处的风速U₁₀；通过温度测量装置和盐度测量装置，分别测量出海水的水温T和盐度；通过存储模块计算出对应的气体的施密特数S_c:通过存储模块计算出对应的气体在海气界面的交换速率k：通过控制器计算出对应的气体的海气通量F。本发明通过表层海水采样及溶解气体前置分离装置，不需要进行室内分析测试，提高了测量效率，测量的甲烷和二氧化碳的海气通量精度高。

Description

一种海气通量的自动测量装置及方法

技术领域

本发明涉及海气通量测量技术领域，具体是一种海气通量的自动测量装置及方法。

背景技术

在相互制约的大气海洋系统中，海气通量是实现海洋和大气相互作用的重要途径，海气通量描述了气候的形成和变化，显示海洋与大气能量交换幅度，是影响全球气候变化的重要机制，是海洋学和气象学等领域共同研究的内容。

随着全球气候变化，海洋环境及观测越来越受到国家的关注和重视，以海洋为下垫面的1～1.5km的大气边界层又称海洋大气边界层，该边界层是海洋与大气物质与能量交换的桥梁，也即是海气通量。而其中海洋与大气之间碳交换的研究至关重要，大气中的碳有很大一部分要以二氧化碳的形式进入海洋，而海洋中的碳也会以甲烷、二氧化碳的形式进入大气，因此对海气通量的研究，对甲烷、二氧化碳的海气通量研究有着重要意义。

目前测量海水中溶解甲烷、二氧化碳均采用吹扫捕集装置-气相色谱法测定，需要将采集到包含甲烷、二氧化碳的样品带回实验室进行分析测定，测试效率低下，且样品在运输过程中，容易有损耗，影响到测量精度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一种海气通量的自动测量装置，其能够解决甲烷和二氧化碳的海气通量的测量问题；

本发明的目的之二提供一种海气通量的测量方法，其能够解决甲烷和二氧化碳的海气通量的测量问题。

实现本发明的目的之一的技术方案为：一种海气通量的自动测量装置，包括供电模块、气象仪、探槽和支撑杆，以及设置在保护箱内的海水采样及溶解气体分离装置、温度测量装置、盐度测量装置、蠕动泵、存储模块和控制器；所述电源与供电控制器电性连接，所述气象仪、海水采样及溶解气体分离装置、蠕动泵、存储模块和控制器均与供电模块电性连接，供电模块为气象仪、海水采样及溶解气体分离装置、蠕动泵、存储模块和控制器提供电力；气象仪、海水采样及溶解气体分离装置、蠕动泵和存储模块均与控制器连接；

所述供电模块设置在支撑杆的顶部，支撑杆竖直固定设置在保护箱上；

所述探槽穿入保护箱内并与蠕动泵连通，蠕动泵与海水采样及溶解气体分离装置连通。

进一步地，所述保护箱采用浮力材料制成。

进一步地，所述保护箱为中空的圆柱形结构。

进一步地，还包括GPS模块，GPS模块与供电模块电性连接，GPS模块与控制器连接。

实现本发明的目的之二的技术方案为：一种海气通量的测量方法，其应用于所述的海气通量的自动测量装置，其包括如下步骤：

通过海水采样及溶解气体分离装置采集海水样品，并进行测量，获得所述海水样品中的气体的溶解含量；所述气体包括甲烷和/或二氧化碳；

通过气象仪测量出海洋水面上方10m高度处的风速U₁₀；

通过温度测量装置和盐度测量装置，分别测量出海水的水温T和盐度；

通过存储模块采用公式①计算出对应的气体的施密特数S_c:

S_c＝2039.2-120.31T+3.4209T²-0.040437T³------①

通过存储模块采用公式②或③或④计算出对应的气体在海气界面的交换速率k：

式中，W为被whitecap覆盖的海洋表面的分数，

通过存储模块采用公式⑤计算出对应的气体的海气通量F：

F＝k×(C_obs-C_eq)------⑤

式中，C_obs表示对应的气体在表层海水中的溶解含量，C_eq表示表层海水中的对应的气体与大气达到平衡时的浓度；C_eq根据水温T、盐度和对应的气体的溶解度计算得到。

本发明的有益效果为：本发明通过表层海水采样及溶解气体分离装置，实时测量表层海水甲烷及二氧化碳溶解含量，相对于传统技术方案，不需要进行室内分析测试，提高了测量效率，测量的甲烷和二氧化碳的海气通量精度高；并通过本发明的自动测量装置和计算方法可自动计算出甲烷和二氧化碳的海气通量，具有自动测量并计算的功能。

附图说明

图1为本发明的测量装置的结构示意图；

图2为本发明较佳实施例的流程图；

图中，1-电源、2-气象仪、3-海水采样及溶解气体分离装置、4-蠕动泵、5-探槽、6-保护箱、7-存储模块、8-GPS模块、9-支撑杆、10-供电控制器。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

如图1所示，一种海气通量的自动测量装置，包括供电模块、气象仪2、探槽5和支撑杆9，以及设置在保护箱6内的海水采样及溶解气体分离装置3、温度测量装置(图中未示出)、盐度测量装置(图中未示出)、蠕动泵4、存储模块7、GPS模块8和控制器，所述供电模块包括电源1和供电控制器10；所述电源1与供电控制器10电性连接，所述气象仪2、海水采样及溶解气体分离装置3、温度测量装置、盐度测量装置、蠕动泵4、存储模块7、GPS模块8和控制器均与供电控制器10电性连接，供电控制器10向上述设备提供电力；气象仪2、海水采样及溶解气体分离装置3、温度测量装置、盐度测量装置、蠕动泵4、存储模块7、GPS模块8均与控制器连接，控制器控制上述设备的工作；

所述供电控制器10设置在支撑杆9的顶部，电源1设置在支撑杆9上部的两侧，优选为太阳能电源，支撑杆9上还连接设置有气象仪2，气象仪2位于电源1下方，气象仪2用于测量出风速，并可测量出海洋水面上方10m高度处的风速U₁₀，支撑杆9竖直固定设置在保护箱6上；

所述探槽5穿入保护箱6内并与蠕动泵4连通连接，蠕动泵4与海水采样及溶解气体分离装置3连通连接，所述的连通连接可通过管道进行连通连接，海水样品经过探槽5和蠕动泵4后进入海水采样及溶解气体分离装置3，海水采样及溶解气体分离装置3对海水样品进行分析测量，海水采样及溶解气体分离装置3包括采用德国Contros公司的Hydro C走航甲烷传感器和Hydro C二氧化碳传感器，分别获得甲烷和二氧化碳的溶解含量；温度测量装置和盐度测量装置，分别测量出水温T和盐度；

所述存储模块7用于存储程序指令，所述控制器用于执行程序指令，以计算出甲烷的海气通量F₁和二氧化碳的海气通量F₂；

而通过所述GPS模块8并结合控制器计算出的甲烷的海气通量F₁和二氧化碳的海气通量F₂，可绘制出甲烷和二氧化碳的浓度分布路线图。

进一步地，所述保护箱6采用浮力材料制成。

进一步地，所述保护箱6为中空的圆柱形结构。

如图2所示，采用上述的测量装置可实现海气通量的测量方法，包括如下步骤：

步骤1：采集海水样品，并进行测量，分别获得甲烷和二氧化碳的溶解含量，本实施例中，采用德国Contros公司的Hydro C走航甲烷传感器和Hydro C二氧化碳传感器进行采集并测量出甲烷和二氧化碳的溶解含量；

步骤2：采用气象仪测量出风速，本实例中，测量出海洋水面上方10m高度处的风速U₁₀；

步骤3：通过温度测量装置测量出海水的水温T，以及通过盐度测量装置测量出盐度；

步骤4：采用公式(1)计算出甲烷的施密特数(Schmidt number)S_c:

S_c＝2039.2-120.31T+3.4209T²-0.040437T³ (1)

步骤5：采用公式(2)或(3)或(4)计算出甲烷在海气界面的交换速率k：

式中，W表示被whitecap覆盖的海洋表面的分数，具体可参见文献1)：

文献1)：Erickson O J.A stability dependent theory for air-sea gasexchange[J].J Geophy Res,1993,98.8 471-8488,

步骤6：采用公式(5)计算出甲烷的海气通量F₁：

F₁＝k×(C_obs-C_eq) (5)

式中，C_obs表示甲烷在表层海水中的溶解含量，可通过海水采样及溶解气体分离装置测量获得，即可通过德国Contros公司的Hydro C走航甲烷传感器直接提供；C_eq表示表层海水中的甲烷气体与大气达到平衡时的浓度；C_eq的值根据水温、盐度及甲烷溶解度计算得到，其中，水温和盐度分别通过温度测量装置和盐度测量装置测量获得，而甲烷溶解度为常数，通过查现有的甲烷溶解度表即可获得，具体的计算过程可参考文献2)和文献3)，详细过程在此就不赘述：

文献2)：IPCC.Summary for policymakers[A].In:Solomon S，Qin D，Manning M，et al.Climate change 2007:the physical science basis.Contribution of workinggroup I to the fourth assessmentreport of the intergovernmental panel onclimate change.Cambridge，UK:Cambridge University Press，2007.1-18.

文献3)：Wiesenburg D A，Guinasso Jr N L.Equilibrium solubilities ofmethane，carbon monoxide and hydrogen in water and seawater[J].Journal ofChemical&Engineering Data，1979，24(4):356-360.

经过步骤1至步骤6即可获得甲烷的海气通量F₁，同样的，经过步骤1至步骤6的处理即可获得二氧化碳的海气通量F₂，具体过程在此就不赘述了。

当控制器获得指令后，根据测量出的数据制作成测量装置的工作时序表，当本发明开始工作后，通过GPS模块获得授时，将各采集分析测量设备同步统一到时间轴内，每当获取到时间信息后，都查询工作时序表，控制器发出控制信号；

程序运行后，将首先初始化系统资源，然后初始化串口，并创建读串口线程，各监测模块通过串口将数据发送至控制器，然后进入命令执行的等待循环中，在这个过程中若没有其他消息触发，将一直做读串口循环。通过处理函数，将海水表层溶解气体含量、风速、温度汇入计算公式中计算出海气通量。将若需要数据库操作，系统将创建新的进程，分配新的系统资源来完成数据的操作，可将每个测点，每条测线的信息分类梳理入库，提高记录和检索信息的效率。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种海气通量的自动测量装置，其特征在于：包括供电模块、气象仪、探槽和支撑杆，以及设置在保护箱内的海水采样及溶解气体分离装置、温度测量装置、盐度测量装置、蠕动泵、存储模块和控制器；所述气象仪、海水采样及溶解气体分离装置、蠕动泵、存储模块和控制器均与供电模块电性连接，供电模块为气象仪、海水采样及溶解气体分离装置、蠕动泵、存储模块和控制器提供电力；气象仪、海水采样及溶解气体分离装置、蠕动泵和存储模块均与控制器连接；

所述气象仪用于测量出风速；

所述供电模块设置在支撑杆的顶部，支撑杆竖直固定设置在保护箱上；

所述探槽穿入保护箱内并与蠕动泵连通，蠕动泵与海水采样及溶解气体分离装置连通。

2.根据权利要求 1所述的测量装置，其特征在于：所述保护箱采用浮力材料制成。

3.根据权利要求 1所述的测量装置，其特征在于：所述保护箱为中空的圆柱形结构。

4.根据权利要求 1所述的测量装置，其特征在于：还包括GPS模块，GPS模块与供电模块电性连接，GPS模块与控制器连接。

5.一种海气通量的测量方法，其特征在于：其应用于如权利要求1至4任一项所述的海气通量的自动测量装置，其包括如下步骤：

通过海水采样及溶解气体分离装置采集海水样品，并进行测量，获得所述海水样品中的气体的溶解含量；所述气体包括甲烷和/或二氧化碳；

通过气象仪测量出海洋水面上方10m高度处的风速U₁₀；

通过温度测量装置和盐度测量装置，分别测量出海水的水温T和盐度；

通过控制器采用公式①计算出对应的气体的施密特数S_c:

S_c＝2039.2-120.31T+3.4209T²-0.040437T³ ------①

通过控制器采用公式②或③或④计算出对应的气体在海气界面的交换速率k：

式中，W为被whitecap覆盖的海洋表面的分数，

通过控制器采用公式⑤计算出对应的气体的海气通量F：

F＝k×(C_obs-C_eq) ------⑤

式中，C_obs表示对应的气体在表层海水中的溶解含量，C_eq表示表层海水中的对应的气体与大气达到平衡时的浓度；C_eq根据水温T、盐度和对应的气体的溶解度计算得到。