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）

農田生態系統閉路渦度相關法含氮氣體通量觀測

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。

Aerodyne閉路式氣體分析儀內部結構圖

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

參數	N2O	CH4	CO2	NH3	H2O
精度 1S	0.03ppb	0.1ppb	100ppb	40ppt	10ppm
精度 100S	0.01ppb	0.25ppb	25ppb	10ppt	5ppm
測量范圍	0-10000ppb	0-10000ppb	0-5000ppm	0-10000ppb	0-5000ppm
響應時間	1-10HZ可選	1-10HZ可選	1-10HZ可選	1-10HZ可選	1-10HZ可選

參數	COS	NO	NO2	HONO
精度 1S	0.005ppb	0.15ppb	0.03ppb	0.21ppb
精度 100S	0.002ppb	0.15ppb	0.01ppb	75ppt
測量范圍	0-5000ppm	0-5000ppm	0-5000ppm	0-5000ppm
響應時間	1-10HZ可選	1-10HZ可選	1-10HZ可選	1-10HZ可選

含碳氣體同位素：

參數	δ13CH4	δCH3D	δ13CH4	CO2	δ13C	δ18O
精度 1S	3‰	30‰	1‰	25ppb	0.1‰	0.03‰
精度 100S	1‰	30‰	1‰	10ppb	0.03‰	0.03‰
測量范圍	3‰	30‰	1‰	25ppb	0.1‰	0.1‰
響應時間	1-10HZ可選	1-10HZ可選	1-10HZ可選	1-10HZ可選	1-10HZ可選	1-10HZ可選

含氮氣體同位素：

參數	NH3	δ15N14N16O（δ15Nα）	δ14N15N16O（δ15Nβ）	δ14N14N18O（δ18O）
精度 1S	40ppt	0.1‰	0.03‰	8‰
精度 100S	10ppt	1‰	1‰	2‰
測量范圍	0-10000ppb	300~30000ppb	300~30000ppb	300~30000ppb
響應時間	1-10HZ可選	1-10HZ可選	1-10HZ可選	1-10HZ可選

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。

蘭德里亞諾Landriano     2009（SI-09）和2011（SI-11）試驗期間，通過渦流協方差系統（EC）和反向拉格朗日隨機模型（bLS）估算NH₃累積排放和歸一化損失   

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

【1】Site selective real-time measurements of atmospheric N₂O isotopomers by laser spectroscopy，J. Mohn , B. Tuzson , A. Manninen , N. Yoshida , S. Toyoda , W. A. Brａnd , L. Emmenegger.,Atmospheric Measurement Techniques , 5, 1601–1609, 2012

【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.

【4】ACRP Report 7: Aircraft and Airport-Related Hazardous Air Pollutants: Research Needs and Analysis, E. Wood, S. Herndon, R. C. Miake-Lye, D. Nelson, M. Seeley,  65p. (2008).  Airport Cooperative Research Program, Transportation Research Board, Washington, DC

【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.

【8】Cross road and tunable infrared laser measurements of nitrous oxide emissions from motor vehicles, J.L. Jimenez, J.B. McManus, J.H. Shorter, D.D. Nelson, M.S. Zahniser, M. Koplow, G.J. McRae, and C.E. Kolb, Chemosphere - Global Change Science, 2, 397-412 (1999).

END