從實驗室到農(nóng)田：兩種氨氣測量儀器對比實驗

荷蘭應(yīng)用科學(xué)院（TNO, the Netherlands Organisation for Applied Scientific Research）和荷蘭國家公共衛(wèi)生與環(huán)境研究所（RIVM, National Institute for Public Health and the Environment）的聯(lián)合研究團隊發(fā)表了一篇題為“ Field comparison of two novel open-path instruments that measure dry deposition and emission of ammonia using flux-gradient and eddy covariance methods ”的研究論文，現(xiàn)已發(fā)表于《Atmospheric Measurement Techniques》。

實驗背景

人類通過農(nóng)業(yè)、工業(yè)和燃燒過程改變了全球氮循環(huán)，導(dǎo)致地球系統(tǒng)中反應(yīng)性氮(Nr)水平提高。氨氣(NH₃)的干沉降是氮沉降的重要組成部分，特別是在荷蘭，占總氮沉降的三分之一以上。因此，準(zhǔn)確量化NH₃的生物圈-大氣交換對于研究區(qū)域和全球范圍內(nèi)的NH₃預(yù)算、監(jiān)測趨勢、評估減排效果和改進空氣質(zhì)量和沉降模型至關(guān)重要。然而，直接長時間連續(xù)測量NH₃交換的數(shù)據(jù)相對較少。

論文摘要

在荷蘭Cabauw的Ruisdael站進行的一項為期5周的實驗，比較了兩種新型開放光路測量設(shè)備。實驗中使用了Healthy Photon HT8700E大氣氨激光開路分析儀和另外一種基于空氣動力學(xué)梯度技術(shù)的激光開路分析儀。

兩種儀器分別采用了不同的測量原理和技術(shù)，前者采用渦度協(xié)方差法(EC)，后者采用空氣動力學(xué)梯度法(AGM)。盡管兩者的測量原理不同，但在無障礙均勻地形條件下，兩者的測量結(jié)果高度相似，相關(guān)系數(shù)達0.87，累計通量差異約為10%。

儀器部署

這項研究比較了基于渦動相關(guān)技術(shù)的HT8700E大氣氨激光開路分析儀和另外一種基于空氣動力學(xué)梯度技術(shù)的激光開路分析儀在測量氨氣（NH3）干沉積和排放方面的性能。

實驗地點：荷蘭Cabauw研究站的草地上

時間段：2021年8月24日至10月11日，為期7周

設(shè)置：

HT8700E安裝在一個鋼制支架上，光路中心距地面2.80米。

另外一種激光開路分析儀放置在一個小容器中，兩個22.1米的光路分別位于0.76米和2.29米高處。

還配備了超聲風(fēng)速計和其他輔助儀器以測量三維風(fēng)速和氣體濃度。

實驗結(jié)果

通量測量：

兩種儀器在測量氨氣通量方面的結(jié)果非常相似（相關(guān)系數(shù)r = 0.87）。累計通量差異約為10%，前提是上風(fēng)方向的地形均勻且無障礙物。

HT8700與另外一種激光開路分析儀所測量的氨通量變化顯示高度的一致性

運行時間：

HT8700E在下雨期間和下雨后不久數(shù)據(jù)有效性較低，并且其早期產(chǎn)品使用的光學(xué)鏡面涂層可能會退化，導(dǎo)致約21%的數(shù)據(jù)缺失，針對此問題海爾欣·昕甬智測升級了光學(xué)鏡面，采用了一種全新的鏡面涂層技術(shù)，增強耐腐蝕性，有效解決了數(shù)據(jù)缺失問題，并已經(jīng)交付客戶使用。

另外一種激光開路分析儀一旦運行，其正常運行時間可達100%，但需要定期重新校準(zhǔn)（7周運行時間的35%）。

Healthy Photon HT8700E基于渦動相關(guān)技術(shù)，提供最直接的表面-大氣氣體交換測量，采用量子級聯(lián)激光器（QCL）技術(shù)，避免了封閉路徑系統(tǒng)中使用進樣管導(dǎo)致的信號損失。對電力需求低，安裝更便捷，可用于偏遠地區(qū)的監(jiān)測。

雖然HT8700E在惡劣天氣條件下的獨立運行時間有限，但在適當(dāng)?shù)那闆r下，該系統(tǒng)仍然可以提供良好的結(jié)果，為未來的升級迭代版本打開了良好的前景，目前HT8700E經(jīng)過產(chǎn)品升級，增加自動清洗、降雨傳感、鏡片加熱模塊，能夠更好的應(yīng)對野外環(huán)境氣候，以保證實地的長期觀測，使儀器分析結(jié)果更精準(zhǔn)、更可靠。

Refer：

Swart D.et al., Field comparison of two novel open-path instruments that measure dry deposition and emission of ammonia using flux-gradient and eddy covariance methods. Atmospheric Measurement Techniques, 16(2), 529-546, 2023.