环境科学与技术外文翻译资料

英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

环境科学与技术

湖泊水—气界面（CO2、CH4和H2O）通量的测量

Wei Xiao,dagger;,Dagger; Shoudong Liu,dagger;,Dagger; Hanchao Li,dagger; Qitao Xiao,sect; Wei Wang,dagger; Zhenghua Hu,dagger; Cheng Hu,dagger;Yunqiu Gao,dagger; Jing Shen,dagger; Xiaoyan Zhao,sect; Mi Zhang,dagger; and Xuhui Lee*

耶鲁-南京信息工程大学中心大气环境，合作创新中心的气象灾害预测和评估，江苏农业气象学重点实验室，南京信息科技大学，南京，江苏 210044，中国林业和环境研究大学， 耶鲁大学，纽黑文, 康涅狄格州 06511，美国

报告

摘要

内陆湖泊在水和温室气体循环中起着重要的作用。本研究的目的是测试在湖水—气界面上同时测量H2O、CO2 和 CH4 通量的磁通梯度系统的性能。采用基于波长扫描的空腔环-下光谱技术对水面上的浓度梯度进行测量,用声波风速仪测量涡流扩散率。零-梯度试验结果表明, 0.010 毫克 mminus;2 sminus;1 CO2 和0.029 微克 mminus;2 sminus;1的流量测量精度为 4.8 W。在620天的测量期间, 97%、69% 和67% 的 H2O、CO2 和 CH4 小时通量比测量精度高, 这证实了通量梯度系统对水—气界面交换的测量具有足够的精度。本研究说明了磁通梯度法有四个优点: (1) 能够同时测量 H2O、CO2 和 CH4 的通量；(2) 能够校正微乎其微小密度；(3) 解决小 CH4 梯度和通量的能力；(4) 连续、无创操作。具有富营养化的湖年平均 CH4 通量 (1.8 克 CH4 mminus;2 yearminus;1) 接近于世界内陆湖泊的中值 (1.6 克 CH4 mminus;2 yearminus;1)。该系统具有足够的精度可以对CH4 通量广泛的应用, 但需要进一步改善, 以解决小 CO2 通量在许多湖泊的测量结果。

1.导言

湖泊和水库等内陆水域是全球温室气体循环的重要组成部分。^1minus;5这些气体通量在单位表面区域的输出是非常小的，由于小的信噪比，测量这些通量是有挑战的。有多种测量技术是可以采用的, 它们各有优缺点。 ^6minus;8最常用的方法是浮动室和水平衡法。浮动室操作相对简单，如果设计得当，测量不确定度也不明显。^9minus;11然而，它只能代表小面积，因为活动范围是小的。¹¹ 另外，该方法在大风条件下的部署是非常困难的且高频率的测量是高强度的。⁷采用水平衡法测量通量是通过测量地面水和空气层之间的浓度差来确定的。^12minus;14 它可用于远程位置和多个站点。一个主要的限制是扩散系数所引入的不确定性，特别是在低风(lt;5 m sminus;1)和高风(gt;10 m sminus;1) 条件下。¹⁵ 此外，水平衡方法无法捕获以冒泡方式产生的 CH4，它可以获取到大部分湖泊中CH4通量。 ^5,16

气象方法是在水面上放置与大气表面层接触的仪器，通过仪器可以连续和无创性测量水-气通量。涡流协方差 (EC) 已越来越多地用于测量湖水—气界面CO2 通量。^7,17minus;19一些研究人员还部署了 EC 方法来测量 CH4 通量。^8,20,21然而，如果不小心处理， 测量工件，如误差传播通过密度修正，^7,22,23测量平台的运动，^7,24minus;26和人为密度波动的传感器自加热的开放路径传感器，²⁷ 能够减弱小流量信号。

通量梯度 (FG) 技术，是另一种气象方法，由通量的垂直浓度梯度乘以涡流扩散系数决定。²⁸ FG 法也是无创的，可连续使用。例如，它被用来测量瑞典 garing;rdsjouml;n 湖的 CO2 和 H2O 通量、持续 14 days²⁹ 和 持续了4月的北方海狸池塘和大气层之间的CO2, CH4通量。³⁰ FG 方法 (以及 EC 方法) 的优势，与一个封闭路径分析仪的开放路径 EC 相比，其密度校正是更小。然而，在湖泊的大气表层，气体浓度梯度非常小，传统仪器难以解决梯度信号，限制了 FG 方法在短场运动中的部署。例如，湖中 CO2 浓度的垂直变化顺序为 1 ppm 或更小，接近于某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³¹补偿了其宽带红外分析仪的短期信号漂移，该方法是使用移动入口将空气从多个高度抽入一个分析仪，并通过第二个分析仪测量背景浓度在一个固定的高度。

该方法涉及大气表面层中涡流扩散系数 K 的参数化。K参数化 ³² 已经成功地部署在陆地生态系统³³ 的通量观测中， 但根据作者的知识，在发表的文献中尚未报道对这种湖泊系统方法的广泛测试。在陆地环境中，K 在不稳定条件^32,34 中表现良好，通常在白天，具有充分发展的湍流，但在这些时候，垂直浓度梯度小，难以测量。晚上，梯度可能较大，但 K 可能是不确定的，特别是如果大气变得非常稳定，如果水比覆盖的空气更温暖，那么在夜间，不稳定的空气实际上会发生在湖上的情况就不同了。

本研究中，采用波长扫描的腔环-下谱 (WS CRDS) 衡量气体分析仪用在FG模型中去测量水—气界面上的H2O,CO2和 CH4通量。近年来，WS-CRDS 分析仪越来越多地用于测量大气 CO2 和 CH4 浓度。^35minus;38 然而，这些分析仪尚未用于表面通量测量的梯度模式。WS-CRDS 分析仪可以测量气体浓度，而不需要干燥空气。^36,39,40 它们有能力同时测量水汽混合比 (及其流量) 与微量气体，这是一个功能，以检查涡流扩散系数计算与改进的波文比 (MBR)方法^29,31,41 和表面蒸发和能量平衡研究。实验期间，该分析仪稳定，能解决水面上的细小垂直浓度差异。目前的研究似乎是第一次尝试同时使用一个仪器和在长期的操作下测量 H2O, CO2 和 CH4通量。这项测量是从2012年5月11日至2014年1月18日在中国太湖举行的。本文的目的是介绍该测量系统的性能评价。

此外，数据被用来检验测量地点的假设，与其他湖泊系统相比，一个浅滩和富营养化的湖是一个强大的CH4来源。一项文献调查显示，富营养化湖泊中测量的 CH4 通量有很大变化 (表 S2, 支持信息)。有些差异可能是由方法制品造成的。这里非入侵的测量报告可以帮助缩小不确定性。

图1。地图显示的是太湖的实验地点，FG和 EC 仪器的位置由星符号指示。白色线是在 2 m 高的水面上标记的一个木板路 (宽度 1 m)。

图2。梯度测量系统示意图设计图。

2.材料与方法

2.1研究地点。实验场地 (31°24′ N, 120°13′ E) 位于太湖的北部 (面积, 2400 km2; 平均深度, 1.9 米;图 1) 作为太湖涡流流量网络的一部分，⁴² 年平均气温为16.2 摄氏度，根据 kouml;ppen 气候分类，年降水量为1122毫米。⁴² 最理想的提取条件发生在风方向落在180minus;270°的范围内。在这个风向范围内，测量没有受到陆地和测量平台的干扰。这个地方的湖泊水富营养化，浮游植物生长丰富。⁴³

2.2磁通梯度法。 采用 WS-CRDS 分析仪 (型号 G1301、Picarro 公司、美国 CA) 测量了 CO2、CH4 和 H2O 在0.5 赫兹下的混合比。分析仪制造商提供的5分钟精度为50 ppb CO2、0.7 ppb CH4 和50 ppm H2O。空气是从两个进气口的高度1.1 和3.5 米以上的水表面通过不加热的聚四氟乙烯油管 (长度, 22 米, 管内径, 0.32 厘米) 进入分析仪 (图 2)。入口由内空气过滤器 (模型 SS-4FW-7, 接头套管公司, 梭伦, OH, 美国) 保护。为了提高梯度测量，我们减少了缓冲容积 (4 升) 的湍流波动，并将短管 (分析仪和三路阀之间的长度0.5 米) 的瞬时时间最小化。采样系统的旁路流速为1.5 升 minminus;1，分析仪抽样了小部分 (0.2 升 minminus;1)。一个泵 (D888minus;12，帕克汉尼芬公司, NC, 美国) 被使用作分流器 。三路电磁阀 (型号 T3NCSS-078, 美国佛罗里达州的 IQ 阀门公司) 在两个进气口之间每60秒切换，和在每次切换后测量接近稳定状态低于10秒。图3显示了 CO2、CH4 和 H2O 混合比在10分钟测量周期内对阀门切换的响应的步长变化。在此期间，两个高度之间的绝对差异是sim;5 ppb CH4, sim;1 ppm CO2, sim;0.2%VH2O。这些浓度差异由测量系统捕获，数据是块平均到半小时手段为通量演算。

分析仪被安置在一个在水面上升高的小建筑物中，距离岸边250米的线距 (图 1)。在支持信息中给出了仪器标定的细节。气体入口被巩固了，在距离 20 m 从仪器建筑，在一个垂直的金属杆，被紧固到一个狭窄的木板路。对中性稳定性的通量足迹⁴⁴ 的峰值贡献在102、22和47米之外，分别为上进气口、较低的进气量和两个进气高度的几何平均值。为了避免足迹不匹配的问题，我们只分析了在风来自开阔水域时收集的数据 (风向 180minus;270°)。

实验始于2012年5月，在本研究中，我们分析了2014年1月18日之前收集的数据。根据磁通梯度理论计算出的通量公式为：

其中 F 为 CO2 (mg mminus;2 sminus;1)、CH4 (g mminus;2 sminus;1) 或 H2O (g mminus;2 sminus;1) 的通量;r1 和 r2 是对应的半小时平均干空气混合比 (ppm 为 CO2, ppb 为 CH4 和%v为H2O) 在高度Z1和 z2 (m);rho;a 为空气密度 (kg mminus;3);c 是一个单位转换常数 (44/29 为 CO2, 16/29 为 CH4 和18/29 为 H2O);K 是涡流扩散系数 (m2 sminus;1)。用气动方法计算了涡流扩散系数公式为：

其中 k 是冯卡门常数;ulowast;是摩擦速度 (m sminus;1);zg 是两个测量高度 (m) 的几何平均值, 即 zg = (z1z2) ^1/2;phi;h 是 Obukhov 稳定性公式:³² ：

for gt; 0 (stable conditions)

for 0 (neutral and unstable conditions)

那里zeta; = z_g/l, 和 L 是 Obukhov 长度 (m)。这里, l = minus;ulowast; 3/[k (g/theta;v) w′theta;′], 其中 g 为重力加速度 (9.8 m sminus;2);theta;v 假相当位温(K);和 w′theta;′是运动明智的热流 (m K sminus;1),由ulowast;和 w′theta;′确定了欧共体系统如下所述。

正如引言所指出的, H2O 混合比的精确测量使我们能够通过将上述气动方法与 MBR 方法进行比较，来检验涡流扩散率的计算，两者都假设涡流所有标量的管内是相同的。该方法将水蒸气作为示踪剂处理，并利用实测水汽通量和浓度差计算了 eq 1 的 K 值。然后用 eq 1 测定了 CO2 和 CH4 通量。

图3。 CO2、CH4 和 H2O 混合比率的步进变化, 在年积日227、2012上, 从大约11:53:00 到12:03:00 的阀门切换。

2.3.涡度相关方法。EC系统被巩固到了一个小混凝土柱子在水面高度 3.5 m之上和距离 100 m 从 FG 入口 (图 1)。用三维声波风速计/温度计 (型号 CSAT3, 坎贝尔科学公司, 洛根, 美国) 测量了三维风速和空气温度波动， 并测量了大气 H2O 和 CO2 浓度开路红外气体分析仪 (IRGA, 型号 LI7500, 李-林公司，林肯, NE, 美国)。测量频率为10赫兹。H2O、CO2、感热和动量的通量计算为30分钟了，从10赫兹测量. ⁴⁵ 利用感热和动量的通量计算涡流扩散率 (eq 2)，利用 H2O 和 CO2 的通量来评价成品系统的性能。

用30最小块平均计算涡流通量。CO2 的通量由 Fc = w′c′确定，其中 w′和 c′分别为垂直速度和 CO2 密度的波动，顶线表示块平均。旋转到自然风向坐标进行. ⁴⁶ 空气中的热和水汽扩散引起 H2O、CO2 和 CH4 的额外密度波动。利用韦伯、Pearman 和 Leuning (WPL) 的经典密度校正理论，对热、水汽波动对流量测量的影响进行了修正^{. 47} 对 EC CO2 通量的密度校正可能是错误的，因为开放路径分析器不提供精确的平均 CO2 浓度测量. ⁴⁸ 在本研究中，与 WSCRDS 测量相比，WPL 校正红外气体分析仪 (IRGA) CO2 浓度平均降低了6.6%。IRGA CO2 浓度在 WPL 校正前对 CRDS CO2 浓度进行了校准。

表1。在零梯度试验中，半小时 CO2、CH4 和 H2O 混合比差异 (

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[23569]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word