通量觀測理論與技術Q&A

Q1：什么是通量？

A：在流體運動中，單位時間內流經某單位面積的某屬性量叫做通量，是表示某屬性量輸送強度的物理量。在生態系統的物質循環和能量交換等物質和能量流的研究中，通量用以表征不同庫之間的交換速度和規模。舉個簡單的例子，或許你就能明白，如植被在進行蒸騰和呼吸作用時，會向大氣釋放水汽(H₂O)和二氧化碳(CO₂)，那么在單位時間、單位面積內的植被向大氣釋放的氣體的量即是氣體通量。相應的，以熱量方式傳播的就叫做熱通量。

（參考文獻：于貴瑞 孫曉敏. 陸地生態系統通量觀測的原理與方法[J]. 2006.）

Q2：氣體通量的測量方法有哪些？

A：氣體通量的測量方法主要有箱法、微氣象法、土壤濃度廓線法以及同位素法。其中箱法和微氣象法中的渦度相關法是目前常用的測量方法，具體要選用哪種方式進行氣體通量的觀測，還要根據觀測場的環境和試驗需求來決定測量方案。

（參考文獻：張鑫, 林茂, 吳京科. 常見陸地溫室氣體通量測量方法比較[J]. 林業調查規劃, 2013, 38(002):27-30.）

Q3:常見的氣體通量測量儀器包括哪些？簡要描述其測量原理。

A：常見的氣體通量觀測試驗中，渦動觀測系統被廣泛使用，其最重要的儀器組件包括三維超聲風速儀和紅外氣體分析儀。前者是利用超聲波在空氣中的傳播速度隨風速而變化的原理，測定發生器和接收器間超聲波的到達時間來計算風速，由聲速與空氣溫濕度間的函數輸出超聲虛溫。紅外氣體分析儀的主要原理是利用氣體對紅外波段的吸收效應，通過測定紅外線通過氣體時的減少量反算氣體濃度。

Q4：如何選擇開閉路通量系統？開路和閉路分析儀的主要區別是什么？

A：紅外氣體分析儀主要是利用待測氣體對不同紅外波段的吸收效應直接測定湍流脈動。如LI-COR的開路分析儀LI-7500，CO₂和H₂O的吸收波長分別為4.3 mm和2.6 mm，海爾欣的開路氨分析儀HT-8700，NH₃的吸收波長為9 mm。開、閉路系統間的區別主要在于氣體測定方式不同，開路分析儀的探測光路暴露于空氣中，而閉路式分析儀則是以采樣的方式將空氣抽入分析儀的內部進行測定，除分析儀本體以外還需要氣泵和取樣管。

由于測定方式的不同，相應地，對于氣體濃度測定過程和測定結果也會有所差異。開路系統的原位測量方式，響應迅速，靈敏度高，不會造成高頻數據丟失，但是此系統的傳感器容易受外界環境（如降雨）的影響，因此在儀器維護工作及時的情況下優先選用開路系統。而閉路系統的采樣式觀測，不容易受到外界環境的干擾，但是閉路系統的抽氣管對氣體濃度變化脈動具有衰減作用，導致通量觀測結果的低估，尤其對類似NH₃等強吸附性的氣體影響更甚。閉路系統的采樣管內有過濾器，若空氣中存在雜質，則可能造成過濾器堵塞而損壞儀器，增加維護成本，因此閉路式分析儀需安裝在空氣潔凈的地方。此外閉路系統儀器功耗高，架設時對電力供應要求更高。

Q5：感熱通量計算中使用的是哪個溫度數據？其溫度與常規氣象溫度是否有差異？

A：在物質不發生相變的情況下轉移的熱量通量叫做感熱通量，又稱顯熱通量。在渦動觀測系統中，對于感熱通量的計算，其溫度參數一般采用三維超聲風速儀觀測的與濕度有關的超聲虛溫T_s，與常規氣象溫度T不同，二者間有：T_s=T（1+0.51q），式中q為比濕。

Q6：為什么需要進行頻率損失修正？開閉路系統的頻率損失有什么不同？

A：在渦度相關的通量計算中，湍流通量觀測在低頻端受平均周期和/或高通濾波的影響，而在高頻端又會受儀器響應特性的影響，所以通量觀測需要對這種頻率損失進行校正。一般在開路系統中導致高頻脈動削弱的儀器效應包括：三維超聲風速儀與紅外氣體分析儀傳感器響應能力不匹配、標量傳感器路徑平均以及傳感器的分離等，而對于閉路系統，其頻率損失的原因還包括取樣管內濃度高頻脈動衰減作用。

參考文獻：Aubinet M, Grelle A, Ibrom A, et al. 2000. Estimates of the annual net carbon and water exchange of European forests: the EUROFLUX methodology. Advances in Ecological Researh, 30:113-174.

Q7：閉路系統是否需要進行WPL校正？WPL校正方程主要包含哪幾個分項？

A：WPL校正主要是針對痕量氣體方程中水熱傳輸對氣體通量的影響，主要包括溫度和水汽脈動的校正。閉路系統中，紅外氣體分析儀內溫度脈動衰減為零，即熱通量信號為零，因此不必對熱通量進行校正，只需要對水汽通量進行校正。對于開路系統則需要分別對熱通量和水汽通量進行校正。如果想要得到更精密準確的CO₂通量，我們還應考慮其他物理量的脈動對通量的影響，如氣壓、二氧化碳密度等。

（參考文獻：Moore C J. 1986. Frequency response corrections for eddy correlation systems. Boundary Layer Meteorology, 37:17~35）

結語： 海爾欣已有成熟的HT8700激光開路氨氣分析儀產品，以及多個和國內外學者合作測量野外氨通量的成功案例。基于我們在HT8700的經驗積累，海爾欣積極開發適用于通量觀測的其他氣體分析儀，例如水汽、氧化亞氮、甲烷。了解海爾欣生態板塊更多產品，請關注網站