大气中六种痕量温室气体同步测量检测方案(多气体分析仪)

标定背景Aerodyne六种痕量气体同步观测系统自2022年01月20日起正式在中科院大气物理所10米塔运行，按照Eddy Covariance涡流协方差方式进行数据测量。验证设备的稳定性与10Hz的数据处理能力。经过一段时间的数据采集后，通过功率谱图分析，得到下列结果。图中虚线为能谱图-2/3的定律，TS是三维风速仪温度，其它曲线为痕量气体曲线。上图展示了观测期间正午12点-2点的功率谱图，所有气体基本都在惯性子区频谱符合-2/3的定律，且在高频没有明显的耗散或噪声，说明仪器性能良好.EC法通过垂直风速和气体浓度对通量进行计算，一般来说，垂直风速的噪音很小，气体浓度的噪音值较大。Rannik et al.（2015）给出了垂直风速和N2O气体浓度的噪音所引起的误差大小分别为0.002 nmol m−2 s−1和0.02 nmol m−2 s−1，垂直风速的噪音造成的影响远小于气体浓度噪音造成的影响。因此本研究忽略垂直风速的噪音，只关注气体浓度的噪音。用嵌入Matlab软件的傅里叶转换程序把痕量气体浓度曲线转换成能谱图曲线，能谱曲线图趋势和黑色的虚线一致说明仪器性能良好。如果在高频10Hz数据采样状态下某种气体浓度的能谱曲线末端翘尾了，就说明受到噪声干扰。如果某种气体浓度的能谱曲线末端突然下降了说明具有湍流能量的损失情况，造成高频信号损失。目前看来所有能谱曲线在高频没有明显翘尾或者下降趋势，所以说没有噪声或者高频信号损失。因为要对人类居住密切相关的城市冠层界面输送规律的研究，需要放置到大气所220m铁塔平台处测量，用于探究在复杂下垫面下城市生态系统源汇关系。在放置到高塔220m平台前，计划对六种痕量气体参数进行标定。根据以往所发表文献说明，Aerodyne的QC-TILDAS设备的出色稳定性与先进的测量原理保证野外连续原位测量状态下的测量精度和本身具备的自动校准频点位置的特点，无需校准气体的现场使用，只需在测量开始前与测量结束后分别做一次定量的仪器校准。背景的校准需要在野外现场长期测量时使用，保证测量本底的一致性。仪器校准过程?仪器温室气体校准采用标准气体（CH4：219ppb、CO2：401ppm、N2O：358ppb），自动背景校准采用零气（99.9992%纯氮气）；?通过电磁阀和 T 形接头将标准气瓶/背景零气瓶连接到仪器的样品气体进气管线上，通过主机上的TDLWIntel软件控制标准气体/背景零气（氮气）按自已需要的时间计划控制标准气体/背景气体/样品气体分别进入进气管线；?当校准气体/背景零气（氮气）阀处于工作状态时，调整流量计的流量（1.2L/min），使过吹流量足够高（样品气流1.0L/min），以满足校准/做背景所需流量要求，设置自动校准起始时间为整点，时间间隔为1小时，吹扫时间为20s，校准时间为20s；?下图展示的仪器后面板的CV1是校准气体的电磁阀控制口 ,若是背景气，则切换到CV2电磁阀控制接口, 它们均可由主机上的TDLWintel软件来控制。仪器校准方法标气仪器温室气体校准采用标准气体（CH4：219ppb、CO2：401ppm、N2O：358ppb），O3采用相关设备产生，浓度是100ppb。背景气是99.9992%纯氮气。校准设备校准方法背景（零点）按如下连接背景气和分析仪气路与背景气瓶准备好后，点击TDLWintel软件左下角“abg”按键由灰色转变成淡蓝色时，自动背景功能激发成功，如下图红框处所示：背景气接到仪器的样品气体进气管线上，“abg”功能触发后，背景气进行吹扫管路、检测腔20s,然后背景测量20s。背景校准时，系统会停止记录数据，做背景的实际效果可通过测量光谱谱线的可见变化。判断出实际效果，简单直观。量程校准：按如下连接背景气和分析仪气路与标气气瓶准备好后，点击TDLWintel软件左下角“cal”按键由灰色转变成淡蓝色时，自动标定功能激发成功，如下图红框处所示：标气接到仪器的样品气体进气管线上，“cal”功能触发后，标气进行吹扫管路、检测腔20s,然后校准测量20s。Aerodyne的QC-TILDAS设备在进行校准流程时，会以时间为起始点并且以独特的文件夹。名称为日期时间.CAL格式记录校准数据，以区别于测量样品状态下记录的*.str数据于主机硬盘的存储位置，同时也可同步记录下光谱数据。数据记录文件夹如下图所示：校准结果校准气瓶参数：CH4：219ppb、CO2：401ppm、N2O：358ppb实测数据：CH4:220.152ppb、CO2:403.152ppm、N2O：335.72ppb数据说明校准气瓶参数：CH4：219ppb、CO2：401ppm、N2O：358ppb实测数据：CH4:220.152ppb、CO2:403.152ppm、N2O：335.72ppbCH4和CO2反应一致的事实告诉我们光谱仪工作状态良好，N2O校准气由于其本身不稳定性（浓度值易变化，不稳定），实测值与校准值正负偏差在7%范围内，说明设备性能正常，反之说明不正常。本次校准中（358-335.72）/358*100%=6.22%，位于7%范围内，说明N2O实测数据正常，仪器性能正常。1END1