在湖泊空气界面中同时测量CH4、CO2和H2O通量的通量梯度系统外文翻译资料

 2022-11-25 14:51:40

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毕业论文

英文翻译

原文标题 A Flux-Gradient System for Simultaneous Measurement of the CH4, CO2 and H2O Fluxes at a Lake-Air Interface

译文标题 在湖泊空气界面中同时测量CH4、CO2和H2O通量的

通量梯度系统

在湖泊空气界面中同时测量CH4、CO2和H2O通量的通量梯度系统

Wei Xiao1,2, Shoudong Liu,2, Hanchao Li1, Qitao Xiao3, Wei Wang1, Zhenghua Hu1, Cheng Hu1, Yunqiu Gao1, Jing Shen1, Xiaoyan Zhao3, Mi Zhang1, and Xuhui Lee*,1,4

1.耶鲁大学大气环境研究中心

2.气象灾害预测与评估合作创新中心

3.南京信息工程大学江苏农业气象重点实验室，中国 南京 210044

4. 耶鲁大学森林与环境研究学院，美国 纽黑文 06511

摘要：内陆湖泊在环境中的水和温室气体循环中发挥着重要作用。本研究的目的是测试一个流体梯度系统的性能，以同时测量湖泊空气界面中H20、CO2和CH4的通量。用基于波长扫描的空腔扫描光谱技术的分析仪测量了水面上的浓度梯度，并利用声风速仪测量了涡流扩散系数。零梯度测试结果表明，水汽通量测量精度为4.8 W·m-2，CO2通量为0.010 mg·m-2·s-1，CH4通量为0.029 mu;g·m-2·s-1。在620天的测量周期中，97%、69%和67%的水、CO2和CH4小时通量比测量精度高，这证实了通量梯度系统对湖泊空气交换的测量精度有足够的精度。这项研究说明了通量梯度法的四个优点：（1）同时测量H2O、CO2和CH4的通量的能力；（2）微小的密度校正；（3）解决小的CH4梯度和通量的能力；（4）连续性和非侵入性操作。在这个超富营养湖，每年平均CH4通量（1.8 g·m-2·year-1）接近世界内陆湖泊的中值（1.6 g·m-2·year-1）。该系统对广泛应用的CH4通量测量具有足够的精度，但需要进一步改进，以解决许多湖泊中的微小CO2通量。

  1. 介绍

像湖泊和水库这样的内陆水域是全球温室气体循环的重要组成部分[1~5]。然而，在单位表面面积上，这些气体的通量是非常小的。由于小的信噪比，测量这些通量是具有挑战性的。有几种测量技术可供选择，每种技术都有其优点和缺点[6~8]。最常见的方法是浮箱法和水平衡方法。浮箱法的操作相对简单，如果设计得当，测量的不确定性也不明显[9~11]。然而，它只能代表很小的区域，因为它的足迹很小。此外，在高风环境下很难进行部署，而且高频测量是需要大量劳动力的[12~14]。水平衡法通过测量表层水与空气层之间的浓度差来确定通量。它可以在偏远地区等多个地点使用。主要的限制是扩散系数的不确定性，特别是在低风（lt;5m·s-1）和高风（gt;10m·s-1）条件下。此外，水平衡法不能捕捉到CH4冒泡，而这是湖泊中CH4通量的一个重要组成部分[5,16]。

微气象测量方法是利用放置在水面上的大气表层的仪器，不断地、非侵入地测量水的空气通量。涡度相关（EC）法越来越多地用于测量湖气界面的CO2通量[7,17~19]。一些研究人员还使用了EC方法来测量CH4通量[8,20,21]。但是，如果不小心处理测量零件，如密度校正引起的误差[7,22,23]、测量平台的运动[7,24~26]以及来自开放式传感器的传感器自热的人为密度波动，可以覆盖小通量信号。

通量梯度（FG）法，另一种微气象方法，通过垂直浓度梯度乘以涡流扩散系数决定通量[28]。FG方法也具有非侵入性，可以连续使用。例如，它被用来测量在瑞典的gardsjon湖的CO2和水通量，持续14天[29]，在北方海狸池塘和大气之间连续4个月[30]的CO2和CH4通量。FG方法（以及EC方法）的优点是，它的密度修正要小得多。然而，大气表层的气体浓度梯度非常小，而传统仪器解决梯度信号的困难限制了FG方法在短场运动中的应用。例如，在一个湖泊中CO2浓度的垂直变化大约是1ppm或更少，这接近于一些宽带红外分析仪的测量精度。为了获得可防御的梯度数据，Zappa等人[31]通过一个移动的入口将空气从多个高度吸入一个分析仪，并在一个固定的高度测量背景浓度，从而补偿了他们的宽带红外分析仪的短期信号漂移。

FG方法是在大气表面层中对涡流扩散系数K进行参数化处理。K参数化[32]已经成功地应用于陆地生态系统中的通量观察[33]，但在作者的知识中，对这种方法的广泛测试还没有在已发表的文献中被报道。在陆地环境中，K在不稳定的条件下表现良好[32,34]，通常在白天，有完全发育的湍流，但在这些时候，垂直浓度梯度很小，很难测量。在夜间，梯度可能更大，但K可能不确定，特别是当大气变得非常稳定时。在一个湖泊中，如果水比过度的空气更热，那么在夜晚，不稳定的空气会发生，情况可能会有所不同。

在这项研究中，一种波长扫描的空腔扫描光谱（WS-CRDS）微量气体分析仪被部署在FG模式下，用来测量湖泊大气界面中的H2O、CO2和CH4通量。近年来，WS-CRDS分析仪已越来越多地用于测量大气中的CO2和CH4浓度[35~38]。然而，这些分析仪器还没有在梯度模式中用于表面通量测量。WS-CRDS分析仪可以测量气体浓度，而不需要烘干空气[36,39,40]。他们能够同时测量水蒸气的混合比例（及其通量）与痕量气体，这是一种有用的特性，可以用来检测涡流扩散系数的计算方法，包括修正的波文比（MBR）方法[29,31,41]，以及表面蒸发和能量平衡研究。在本研究的实验期间，分析仪是稳定的，可以解决水面上微小的垂直浓度差异。目前的研究似乎是第一次尝试用一种仪器和长期的操作来测量H2O、CO2和CH4的通量。该测量结果于2012年5月11日至2014年1月18日在中国太湖进行。本文的目的是对该测量系统进行性能评价。此外，该数据还用于检验一种假设，即测量地点是一个浅而富营养的湖泊，与其他湖泊系统相比，它是CH4的主要来源。一项对文献的调查揭示了富营养湖泊中测量的CH4通量的巨大变化（表S2）。其中一些变化可能是由方法工件引起的。这里报告的非侵入性测量可以帮助缩小不确定性。

2. 材料和方法

2.1 实验地点

实验地点（31°24N，120°13E）位于太湖北部（面积2400平方公里，平均深度1.9米，图1）作为太湖涡流通量网络的一部分[42]。根据koppen气候分类，每年的空气温度为16.2℃，每年降水量为1122mm。最理想的获取条件是当风向在180°~ 270°的范围内，在这个风向范围内，测量不受陆地和测量平台的干扰。这个地方的湖水超级营养丰富非常适合浮游植物生长[43]。

图1 图为太湖湖实验场地（FG和EC仪器的位置由星号表示，白色

线在水面以上2米处标记木板路）

图2 通量梯度系统图

2.2 通量梯度法

使用WS-CRDS分析仪来测量CO2、CH4和H2O的混合比为0.5Hz。制造商为该分析仪提供的5min精度：CO2为50 ppb、CH4为0.7 ppb、H2O为50 ppm。空气从水面上的1.1m和3.5m通风口通过未加热的聚四氟乙烯套管（长22m，管内径0.35cm）进入分析仪，通风口由内嵌式净化器保护。为了改进梯度测量，我们减少了缓冲区（4L）的湍流波动，并利用短管（分析仪与三向阀之间的长度为0.5m）来减少阀门开关之间的过渡时间。采样系统的旁路通量为1.5 L·min-1，其中一小部分（0.2 L·min-1）由分析仪进行采样。旁路使用了一个泵(型号D888minus;12，Parker Hannifin Inc，USA)。每隔60s三通电磁阀（型号T3NCSS-078，IQ Valves Inc，USA）就会转换一次，每次转换不到10s后，测量就会接近稳定状态。图3显示在10分钟测量周期内，CO2、CH4和H2O混合比的变化，这期间，两个高度的绝对差：CH4为5ppb，CO2为1ppm，H2O为0.2%v。这些浓度差由测量系统获得。通量的计算是以平均每小时的数据计算平均值。分析仪被安置在水面上的一个小建筑里，距离海岸有250m（图1），辅助资料有提供仪器校准的详细信息。气体通风口被固定在距离放置仪器的建筑20m的一个系在狭窄的木板人行道的垂直金属杆上。在中性稳定性方面，通量足迹[44]的峰值是在102m、22m和47m，分别对应着上通风口、下通风口和两个通风口的几何平均高度处。为了避免“足迹不匹配”的问题，我们只分析了在风从开放水域（风向180°~ 270°）吹进时收集的数据。这个实验开始于2012年5月，在这项研究中，我们分析了2014年1月18日之前收集的数据。通量根据通量梯度法计算：

（1）

其中F是CO2通量（mg·m-2·s-1），CH4通量（mu;g·m-2·s-1），或者H2O通量（mg·m-2·s-1），r1和r2是相应的在高度z1和z2（m）半小时平均干空气混合比（CO2:ppm，CH4:ppb，H2O:%v），rho;a是空气密度（kg·m-3）；c是单位换算常数（CO2:44/29，CH4:16/29，H2O:18/29）;K是涡流扩散系数（m2·s -1）。通过空气动力学方法计算涡流

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