CN205103165U - 一种结合涡度相关系统观测臭氧通量的装置 - Google Patents

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赵辉
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Abstract

本实用新型公开了一种结合涡度相关系统观测臭氧通量的装置，包括三维超声风速仪、涡度数据采集系统、O3气体采样头、大气压传感器、快速化学发光O3传感器、慢速紫外O3分析仪、流量控制器、缓冲瓶、辅助采样泵、采样泵；两个O3气体采样头，一个分别连接大气压传感器、快速化学发光O3传感器和流量控制器，另一个通过慢速紫外O3分析仪与采样泵相连；流量控制器通过缓冲瓶与辅助采样泵相连。采用本实用新型装置能对近地层O3通量进行长期地连续地动态地观测。

Description

一种结合涡度相关系统观测臭氧通量的装置
技术领域
本实用新型涉及一种结合涡度相关系统观测臭氧通量的装置。
背景技术
臭氧(O3)不仅是一种主要污染和温室气体，而且还是一种强氧化剂，因人类活动引起的不断升高的近地层O3浓度对植被的生长和产量也带来一定的负效应，直接威胁世界粮食安全。因此，近地层O3污染对陆地生态系统的影响已引起各国学者密切的关注，并指出基于O3通量的评估指标能更好地评价O3对植被和生态系统的影响。
目前O3通量观测方法主要包括梯度法和涡度相关法。梯度法是需要进行两(多)层O3浓度、风速和温度的梯度观测，间接计算出近地层的湍流输送通量。该种方法基于稳定的通量-梯度关系，当大气稳定度为中性的时候，风速可以遵循对数定律，当大气稳定度不为中性的时候，需要获得莫宁-奥布霍夫长度参数，该参数包含摩擦速度和垂直热量通量，通常无法直接准确获得或评估，因利用此方法观测O3通量时一般假设观测期间大气稳定性均处于中性条件。显而易见，该方法会影响O3通量观测值的准确性并且只适用于较短时间内的测量。
随着科技的进步，涡度相关法是近年来发展起来的测量地气交换的一种新型简单的且被公认为位最好的直接观测方法，并在CO2通量和水汽通量的观测方面得到了广泛的应用。在O3通量上还未得到广泛的应用，因此开发一套能够连续动态且简单观测臭氧通量的装置具有很大的应用前景。
发明内容
本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种能够有效观测臭氧通量的装置。
为了达到上述目的，本实用新型公开了一种结合涡度相关系统观测臭氧通量的装置，包括三维超声风速仪、涡度数据采集系统、O3气体采样头、大气压传感器、快速化学发光O3传感器、慢速紫外O3分析仪、流量控制器、缓冲瓶、辅助采样泵、采样泵；O3气体采样头为两个，与三维超声风速仪置于同一高度处；两个O3气体采样头，一个分别连接大气压传感器、快速化学发光O3传感器和流量控制器，另一个连接慢速紫外O3分析仪；慢速紫外O3分析仪与采样泵相连；流量控制器通过缓冲瓶与辅助采样泵相连；涡度数据采集系统分别与大气压传感器、快速化学发光O3传感器、慢速紫外O3分析仪相连。
本实用新型装置还包括三个三通阀；上述两个O3气体采样头其中一个通过一个三通阀后分为两路，一路通过一个三通阀分别连接快速化学发光O3传感器的进气口和大气压传感器，另一路通过另一个三通阀分别与快速化学发光O3传感器的出气口和流量控制器相连。
其中，快速化学发光O3传感器采用新西兰Sextant技术公司的FOS型传感器；慢速紫外O3分析仪采用采用英国Casella公司/澳大利亚Ecotech公司生产的EcotechEC9810型分析仪。
本实用新型相比现有技术具有以下优点：本实用新型结合涡度相关系统对近地层O3通量进行长期地连续地动态地观测的装置，进而能更加准确地评估臭氧胁迫对区域尺度陆地生态系统的影响。
附图说明
图1为本实用新型观测臭氧通量装置的结构框图。
图中，1-三维超声风速仪，2、3-O3气体采样头，4、5-特氟龙进气管，6、7、8-三通阀，9-气压传感器，10-快速化学发光O3传感器，11-流量控制器，12-缓冲瓶，13-辅助采样泵，14-慢速紫外O3分析仪，15-4L采样泵，16-涡度数据采集系统。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进行详细说明。
如图所示，本实用新型观测臭氧通量装置包括三维超声风速仪1，O3气体采样头2和3，1/4英寸特氟龙进气管4和5，三通阀6、7和8，大气压传感器9，快速化学发光O3传感器10，流量控制器11，缓冲瓶12，4L采样泵13，慢速紫外O3分析仪14，辅助采样泵15和涡度数据采集系统16。
将O3气体采样头2和3固定于三维超声风速仪1相同的高度上，特氟龙进气管4和5分别分为O3气体采样头2和3连接两路进气和出气的所有设备：特氟龙进气管4前端与O3气体采样头2连接，后端通过三通阀6和7，其中三通阀7，一边连接三通阀6，另一边连接大气压传感器9，第三边连接快速化学发光O3传感器的进气口，快速化学发光O3传感器10的出气口与三通阀8一边相连接，三通阀8另一边与三通阀6相连接，三通阀8第三边分别通过流量器11，缓冲瓶12和辅助采样泵13，由采样头2进入的O3直接由辅助采样泵排出；特氟龙进气管5前端与O3气体采样头3连接，后端通过慢速紫外O3分析仪14与4L采样泵15相连，由采样头3进入的O3直接由4L采样泵15排出。大气压传感器9，快速化学发光O3传感器10和慢速紫外O3分析仪14的输出数据由涡度数据采集系统16统一记录。
快速化学发光O3传感器10的灵敏度是变化的，用该仪器配合三维超声风速仪1不能直接测出臭氧通量。为此，通常要假设该仪器灵敏度在某个短时段内(例如30分钟)的变化可以忽略，这样就可以先计算出臭氧的沉积速度(Vd)：
[1]
式中：X是快速化学发光O3传感器10输出的信号(mV)，w是垂直风速(ms-1)，上横线表示时间平均，撇号表示变量的脉动。由于近地层臭氧总是向下沉积运动的，为了使得Vd保持正值，所以在该公式前增加负号。
臭氧通量(FO3)是臭氧沉积速率与臭氧浓度的乘积，而臭氧绝对浓度由慢速紫外O3分析仪14得到，实际臭氧通量(FO3)计算公式为：
[2]
式中，和分别为用慢速紫外O3分析仪14观测的臭氧密度(ngm-3)和臭氧混合比(ppbv或nLL-1)，P是大气压(kPa)，T是空气绝对稳定(K)，MO3是摩尔质量(48gmol-1)，R是气体常数(8.314Jmol-1K-1)。

Claims (3)

1.一种结合涡度相关系统观测臭氧通量的装置，其特征在于：包括三维超声风速仪、涡度数据采集系统、O3气体采样头、大气压传感器、快速化学发光O3传感器、慢速紫外O3分析仪、流量控制器、缓冲瓶、辅助采样泵、采样泵；所述O3气体采样头为两个，与所述三维超声风速仪置于同一高度处；两个O3气体采样头，一个分别连接大气压传感器、快速化学发光O3传感器和流量控制器，另一个连接慢速紫外O3分析仪；所述慢速紫外O3分析仪与采样泵相连；所述流量控制器通过缓冲瓶与辅助采样泵相连；所述涡度数据采集系统分别与大气压传感器、快速化学发光O3传感器、慢速紫外O3分析仪相连。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述装置还包括三个三通阀；其中一个O3气体采样头通过一个三通阀后分为两路，一路通过一个三通阀分别连接快速化学发光O3传感器的进气口和大气压传感器，另一路通过另一个三通阀分别与快速化学发光O3传感器的出气口和流量控制器相连。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述快速化学发光O3传感器采用新西兰Sextant技术公司的FOS型传感器；所述慢速紫外O3分析仪采用英国Casella公司或澳大利亚Ecotech公司生产的EcotechEC9810型分析仪。
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