梁 苗,方雙喜*,劉 毅,姚 波,王 勇,馬千里,易 游,郭敏銳

基于壓差的二氧化碳垂直采樣分析技術(shù)

梁 苗1,方雙喜1*,劉 毅2,姚 波1,王 勇2,馬千里3,易 游2,郭敏銳4

(1.中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心,北京 100081；2.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所,北京 100029；3.中國(guó)氣象局浙江臨安大氣本底站,浙江 臨安 311307；4.北京師范大學(xué)全球變化與地球系統(tǒng)科學(xué)研究院,北京 100875)

本研究開(kāi)發(fā)了一套基于直接采樣技術(shù)的二氧化碳(CO2)垂直廓線采樣分析系統(tǒng),分析近地面至25km高空CO2濃度的垂直分布.系統(tǒng)通過(guò)壓差實(shí)現(xiàn)垂直方向連續(xù)采樣,利用CRDS高精度分析技術(shù)對(duì)不同高度樣品進(jìn)行定量分析,計(jì)算得到采樣區(qū)域CO2濃度廓線.于2018年6月13~14日,在內(nèi)蒙古錫林浩特國(guó)家氣候觀象臺(tái)利用平流層探空氣球平臺(tái)進(jìn)行了觀測(cè)實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)室測(cè)試顯示,CO2分析準(zhǔn)確度優(yōu)于0.06×10-6,精度優(yōu)于0.08×10-6.外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)獲得區(qū)域近地面至25km高空CO2濃度的高分辨率垂直廓線,顯示CO2在不同高度的分層結(jié)構(gòu).考慮不同高度樣品擴(kuò)散作用,系統(tǒng)垂直分辨率在10km高度以下優(yōu)于580m,在10~20km高度優(yōu)于3.3km.研究表明: 分析系統(tǒng)可搭載在合適探空平臺(tái)上進(jìn)行CO2垂直觀測(cè),獲取濃度廓線,可為傳輸模式提供數(shù)據(jù),并為碳衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)校驗(yàn).

垂直采樣；二氧化碳；濃度廓線；垂直分辨率；平流層

大氣二氧化碳(CO2)等溫室氣體濃度增長(zhǎng)與全球變暖密切相關(guān),一般認(rèn)為其濃度大幅增長(zhǎng)是全球變暖的主因[1].由于排放源強(qiáng)、擴(kuò)散條件、氣候因素等多種差異,大氣中溫室氣體濃度存在明顯的時(shí)空變化.目前全球范圍內(nèi)已建立了很多近地面網(wǎng)點(diǎn)用于大氣CO2濃度觀測(cè),而垂直尺度的觀測(cè)相對(duì)較少[2-3].CO2濃度的垂直觀測(cè)可為認(rèn)識(shí)CO2通量(源和匯)分布提供重要科學(xué)依據(jù)[4-5].目前國(guó)際上主要利用衛(wèi)星遙感技術(shù)和地基光譜觀測(cè)技術(shù)進(jìn)行溫室氣體柱總量或廓線觀測(cè),并利用模式反演出地面CO2通量分布.這一“自上而下”方法,對(duì)于定量監(jiān)測(cè)和評(píng)估人為活動(dòng)及生態(tài)系統(tǒng)對(duì)CO2濃度和源匯總量的影響,并預(yù)測(cè)CO2變化趨勢(shì)至關(guān)重要[6-7].衛(wèi)星遙感技術(shù)可以提供CO2等溫室氣體的全球尺度柱總量,此類衛(wèi)星有中國(guó)碳衛(wèi)星(TanSat)、美國(guó)軌道碳觀測(cè)衛(wèi)星(Orbiting Carbon Observatory-2,OCO-2)[8]、日本溫室氣體觀測(cè)衛(wèi)星(Greenhouse Gases Observing Satellite, GOSAT)[9]、歐洲ENVISAT 衛(wèi)星上搭載的大氣吸收光譜掃描成像儀(Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Cartography,SCIAMACHY)[10]等.此外,基于地基的遙感觀測(cè)也是獲取大氣溫室氣體廓線或總量的一種重要手段,國(guó)際上最具代表性的地基光譜儀器為全球總碳柱觀測(cè)網(wǎng)(TCCON)[11]廣泛使用的傅里葉變換光譜儀(FTS).

利用原位觀測(cè)的CO2垂直廓線數(shù)據(jù),是驗(yàn)證星載和地基光譜觀測(cè)反演結(jié)果的重要依據(jù)[12],同時(shí)還能減少區(qū)域碳源、匯反演模式的不確定度[11],提升區(qū)域尺度碳通量反演結(jié)果的準(zhǔn)確度.本研究利用基于大氣CO2廓線直接采樣的觀測(cè)技術(shù)(“氣芯”)[13],設(shè)計(jì)并組裝了一套下投式溫室氣體垂直廓線采樣分析系統(tǒng),可獲得地面直至下平流層(約25km)溫室氣體濃度廓線.利用此技術(shù)在內(nèi)蒙古錫林浩特國(guó)家氣候觀象臺(tái)進(jìn)行了垂直觀測(cè),初步得到了地面直至25km大氣CO2濃度垂直廓線.

1 材料與方法

1.1 系統(tǒng)構(gòu)造

為了開(kāi)展CO2垂直廓線探測(cè),本文在前期相關(guān)研究的基礎(chǔ)上[7],研制了一套溫室氣體垂直廓線采樣分析系統(tǒng).系統(tǒng)由探空采樣系統(tǒng)和地面分析系統(tǒng)組成.

1.1.1 探空采樣系統(tǒng) 包括盤狀長(zhǎng)管采樣器、氣球探空平臺(tái)和地面控制模塊.其中長(zhǎng)管采樣器由不銹鋼細(xì)長(zhǎng)管、填充高氯酸鎂的不銹鋼干燥管(外徑10mm,長(zhǎng)度8mm)、熔斷式自動(dòng)關(guān)閉閥和截止閥構(gòu)成.長(zhǎng)管由兩段30m長(zhǎng)、外徑分別為6.35和3.18mm的管線(Restek,Inc.,美國(guó))連接而成,管壁厚度分別為0.89和0.71mm,內(nèi)部容積約為565mL,重量約5kg,實(shí)現(xiàn)降落過(guò)程大氣樣品的采集和儲(chǔ)存.采樣管在使用之前持續(xù)通入干燥、高溫(100℃)高純氮?dú)?99.999%,氦普北分)12h,使管內(nèi)壁達(dá)到鈍化平衡狀態(tài).

氣球探空平臺(tái)包括1000m3零壓氣球(填充氦氣)、切割器、降落傘和集成探空模塊.其中集成探空模塊由氣壓、氣溫和濕度傳感器、銥星定位系統(tǒng)(JT007,中國(guó))、數(shù)據(jù)/信號(hào)收發(fā)裝置,以及數(shù)據(jù)處理單元構(gòu)成.集成探空模塊和長(zhǎng)管采樣器共同包裹在塑料泡沫中作為載荷,保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程長(zhǎng)管采樣器的溫度變化不超過(guò)20K,整體載荷重量約17kg.地面控制模塊包括數(shù)傳終端和控制單元.通過(guò)地面控制模塊與探空模塊間信號(hào)傳輸,實(shí)現(xiàn)采樣過(guò)程中環(huán)境大氣的大氣溫度、壓力、濕度數(shù)據(jù)及經(jīng)緯度、高度數(shù)據(jù)接收,以及載荷受控下降、定位和采樣管進(jìn)樣口的自動(dòng)閉合.

1.1.2 地面分析平臺(tái) 如圖1,包括6口選擇進(jìn)樣閥(Vici Inc.,美國(guó))、CRDS分析主機(jī)(PicarroInc.,G2301,美國(guó))、質(zhì)量流量控制器(MKS 246C,美國(guó),精度0.1sccm)、氣壓表、三通球閥(Swagelok Inc.,美國(guó))構(gòu)成,各組件通過(guò)不銹鋼管線(Swagelok,美國(guó))連接,實(shí)現(xiàn)采樣器填充/沖洗、樣品分析和分析主機(jī)校準(zhǔn).CRDS分析主機(jī)單一標(biāo)氣CO2測(cè)量精度(1σ)達(dá)到0.05×10-6(0.5Hz).采用標(biāo)準(zhǔn)氣體外標(biāo)法對(duì)長(zhǎng)管樣品的CO2和CO體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行定值,CO2量值溯源至World Meteorological Organization (WMO)-X2007標(biāo)準(zhǔn);CO量值溯源至WMO-X2014A標(biāo)準(zhǔn).由于CRDS具有較好的穩(wěn)定性和線性,實(shí)驗(yàn)時(shí)采用1瓶標(biāo)氣來(lái)定值[13].

圖1 地面分析平臺(tái)結(jié)構(gòu)

1.2 測(cè)量原理

由于開(kāi)始降落位置(即飛行最高處)采樣管內(nèi)會(huì)留存少量殘余氣體,為確定殘余氣體量,長(zhǎng)管采樣器在升空前12h用高濃度CO標(biāo)氣(1971.2×10-9)作為填充氣(Fill Gas,FG)進(jìn)行沖洗和填充,以區(qū)別于遠(yuǎn)離排放源的平流層的CO低濃度大氣,從而準(zhǔn)確標(biāo)記最高點(diǎn)樣品開(kāi)始分析的時(shí)間.氣球升空前,長(zhǎng)管采樣器3.18mm端截止閥關(guān)閉,6.35mm端熔斷式開(kāi)關(guān)閥開(kāi)啟,采樣器隨氣球探空平臺(tái)上升,管內(nèi)FG隨環(huán)境氣壓減少而不斷排出.到達(dá)指定高度后(25~30km),地面控制模塊遙控剪切氣球,采樣管隨降落傘緩慢下降,在內(nèi)外壓差作用下進(jìn)行被動(dòng)式采樣,使不同高度的大氣依次填充在采樣管的不同位置.同時(shí),數(shù)據(jù)采集和發(fā)送裝置完成傳感器探測(cè)數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸,包括管壁溫度、載荷艙內(nèi)溫度、大氣壓力、經(jīng)緯度和高度等.載荷降落地面后,地面控制模塊遙控集成探空模塊中的繼電器,自動(dòng)熔斷開(kāi)關(guān)閥關(guān)閉,采樣完成.

實(shí)驗(yàn)人員通過(guò)地面控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取的定位數(shù)據(jù),迅速找回載荷,運(yùn)送至地面分析平臺(tái)進(jìn)行分析.長(zhǎng)管采樣器中氣體樣品的分析過(guò)程中,管內(nèi)樣氣在標(biāo)準(zhǔn)氣體(濃度接近實(shí)際大氣,防止CO2擴(kuò)散影響)的推動(dòng)下,勻速緩慢進(jìn)入CRDS主機(jī)進(jìn)行分析,得到不同高度樣氣的CO2物質(zhì)的量分?jǐn)?shù).采集過(guò)程中,氣體進(jìn)入管子的流量小于235cm3/min,保持層流運(yùn)動(dòng),氣體擴(kuò)散主要為分子擴(kuò)散,無(wú)其它混合作用.在采樣和等待回收的時(shí)間段內(nèi)(一般不超過(guò)4h),單個(gè)分子在擴(kuò)散作用下沿管路的徑向運(yùn)動(dòng)距離(24h約擴(kuò)散3.2m)與采樣管長(zhǎng)度相比,可以忽略不計(jì).說(shuō)明采樣管可以對(duì)依次儲(chǔ)存的各段大氣樣品進(jìn)行保存,從而對(duì)整個(gè)樣品的濃度分布進(jìn)行記錄,并達(dá)到一定的垂直分辨率.

數(shù)據(jù)處理時(shí),需要將分析所得CO2物質(zhì)的量比匹配到相應(yīng)高度上.理想條件下,下降過(guò)程每一高度的管內(nèi)外壓力達(dá)到平衡.根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程,可得時(shí)刻長(zhǎng)管內(nèi)部的大氣樣品物質(zhì)的量:

式中:nPT分別為對(duì)應(yīng)采樣高度采集所得的氣體物質(zhì)的量、大氣壓力、管壁溫度和管的體積.

采樣管到達(dá)地面時(shí)管內(nèi)樣品物質(zhì)的量最大,為

式中:PT分別為地面大氣壓和落地時(shí)刻的管壁溫度.

分析時(shí),通過(guò)質(zhì)量流量控制器精確控制,使長(zhǎng)管內(nèi)樣品以恒定的物質(zhì)的量流量進(jìn)入分析主機(jī),即相同時(shí)間分析的樣品物質(zhì)的量一定,可得

式中:n’為t時(shí)間內(nèi)分析的樣品物質(zhì)的量分?jǐn)?shù);t為分析時(shí)間,total為分析總時(shí)間.

將n與n對(duì)應(yīng),即可將分析時(shí)間與采樣高度的環(huán)境氣壓對(duì)應(yīng),從而將CO2體積分?jǐn)?shù)和采樣高度對(duì)應(yīng).

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 單一標(biāo)氣填充測(cè)試 為檢驗(yàn)長(zhǎng)管采樣器對(duì)樣品分析精度和準(zhǔn)確度的影響,在3種條件下進(jìn)行多次單一標(biāo)氣分析測(cè)試,條件1、2分別為單一標(biāo)氣通過(guò)長(zhǎng)管直接分析和在長(zhǎng)管中儲(chǔ)存12h后進(jìn)行分析.條件3模擬飛行過(guò)程中內(nèi)部氣體排空和樣氣采集過(guò)程,長(zhǎng)管先填充FG,管內(nèi)抽真空至壓力約47hPa,近似對(duì)應(yīng)20km高空氣壓.標(biāo)氣填充流量為100cm3/min (標(biāo)況下),為下降過(guò)程中的典型平均采集速率.當(dāng)管內(nèi)達(dá)到1atm時(shí),停止填充,關(guān)閉進(jìn)氣閥,通過(guò)分析平臺(tái)進(jìn)行分析.常規(guī)條件下CRDS主機(jī)的分析精度為0.05×10-6.條件1~3下CRDS主機(jī)的分析精度分別為0.06×10-6、0.08×10-6、0.06×10-6.三種條件下CO2濃度值漂移(相對(duì)于標(biāo)氣參比濃度)分別為0.04×10-6、0.05×10-6、0.05×10-6. 3種條件下的氣體分析流量均為 40.0cm3/min(標(biāo)況下).

1.3.2 分段標(biāo)氣填充測(cè)試 為檢驗(yàn)長(zhǎng)管采樣器在儲(chǔ)存和分析過(guò)程中,內(nèi)部不同濃度氣體的混合和擴(kuò)散程度,采用間隔進(jìn)樣的方式依次用高、低濃度CO2標(biāo)氣進(jìn)行填充(濃度分別為375.79×10-6和454.54× 10-6).兩種標(biāo)氣首先通過(guò)多口進(jìn)樣閥切換進(jìn)入CRDS主機(jī)分析,確定分段測(cè)試“基線”,代表兩種標(biāo)氣在分析系統(tǒng)管路及主機(jī)腔體內(nèi)的混合和擴(kuò)散程度.之后標(biāo)氣通過(guò)多口閥切換,以40cm3/min(標(biāo)況下)的流量間隔填充長(zhǎng)管,每種標(biāo)氣填充5min,直至管內(nèi)壓力接近一個(gè)1atm,關(guān)閉進(jìn)氣開(kāi)關(guān)閥,將填充樣品進(jìn)行分析,分析流量為40.0cm3/min(標(biāo)況下),分析結(jié)果與 “基線”進(jìn)行對(duì)比.

1.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

依據(jù)前期氣象預(yù)報(bào),選擇2018年6月13、14日滿足探空氣球升空條件(低層850hPa風(fēng)速小于6m/s)的時(shí)間,利用垂直廓線采樣分析系統(tǒng)進(jìn)行了2次實(shí)驗(yàn),地點(diǎn)在內(nèi)蒙古錫林浩特國(guó)家氣候觀象臺(tái)(43°57'N, 116°07'E),實(shí)驗(yàn)各步驟時(shí)刻見(jiàn)表1.6月13日,氣球于當(dāng)?shù)貢r(shí)間07:30開(kāi)始釋放,約08:56上升至25.4km高度(25hPa),上升過(guò)程管內(nèi)FG在內(nèi)外壓差作用下不斷排出,管溫緩慢下降.在最高位置,氣球載荷平飄約1h的飛行,管內(nèi)氣體交換少,管溫下降變緩.平飄結(jié)束,地面控制單元遙控載荷降落,環(huán)境空氣連續(xù)進(jìn)入管內(nèi).45min后載荷落地,進(jìn)樣閥未能及時(shí)關(guān)閉,1h后由實(shí)驗(yàn)人員找到采樣管后手動(dòng)關(guān)閉.這段時(shí)間由于管溫稍有升高,導(dǎo)致部分近地面樣品排出.43min后采樣器送至分析平臺(tái)進(jìn)行分析.6月14日,氣球到達(dá)最高點(diǎn)25.4km(25hPa)后下降,上升和下降過(guò)程與13號(hào)類似.即將落地(距地面50m)時(shí)地面控制模塊遙控控制探空模塊內(nèi)部繼電器,使自動(dòng)熔斷開(kāi)關(guān)閥關(guān)閉.等候分析的時(shí)間為1h17min.兩次實(shí)驗(yàn)采樣、尋找及分析環(huán)節(jié)銜接順暢.兩次飛行路徑受氣象條件影響差別較大,如圖2所示.13日和14日的降落地點(diǎn)距釋放地點(diǎn)分別為71km和90km.

表1 探空實(shí)驗(yàn)以及樣品分析的關(guān)鍵時(shí)間

大氣樣品分析前,分析系統(tǒng)的兩個(gè)三通球閥調(diào)節(jié)至 a 路(圖 1),通過(guò)標(biāo)定氣(CG)對(duì)分析主機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn),然后對(duì)長(zhǎng)管采樣器不同高度層大氣樣品進(jìn)行定量分析,并繪制CO2濃度廓線.分析時(shí),三通球閥1 切換至b路,6口進(jìn)樣閥切換高濃度CO推動(dòng)氣(Push Gas,PG),對(duì)連接長(zhǎng)管的管路進(jìn)行沖洗,之后將長(zhǎng)管6.35mm端與三通球閥1連接, 3.18mm端與三通球閥2連接;即6.35mm端與進(jìn)樣閥連接,3.18mm端通過(guò)MFC與分析主機(jī)連接,高層樣氣先進(jìn)行分析,近地面樣氣后分析,減少高層樣氣在分析過(guò)程中分辨率的損失.沖洗連接管是為了精確判斷采樣最低點(diǎn)的樣氣分析開(kāi)始時(shí)間.之后將三通球閥2切換至b路,同時(shí)打開(kāi)長(zhǎng)管兩端的開(kāi)關(guān)閥,采樣管內(nèi)樣品在PG的推動(dòng)下進(jìn)入主機(jī)進(jìn)行分析.通過(guò)質(zhì)量流量控制器調(diào)節(jié)分析流量為40cm3/min(標(biāo)況下),以保證濃度廓線的垂直分辨率.通過(guò)減壓閥調(diào)節(jié)PG的進(jìn)氣壓力略高于大氣壓(0.03atm),以減少壓力變化引起的氣體混合和擴(kuò)散.分析時(shí),FG先進(jìn)入主機(jī)分析,之后是大氣樣品.當(dāng)樣氣全部分析完,PG進(jìn)入主機(jī)并穩(wěn)定一段時(shí)間后,多口閥切換CG進(jìn)入主機(jī)再次進(jìn)行校準(zhǔn),分析結(jié)束.CG與PG/FG的CO2濃度分別為434.88×10-6和380.81×10-6,CO濃度分別為247.67×10-9和1971.27×10-9.

2 結(jié)果與討論

2.1 標(biāo)氣填充測(cè)試結(jié)果

表2 分段標(biāo)氣填充測(cè)試結(jié)果

單一標(biāo)氣填充,測(cè)試結(jié)果表明,該方法分析長(zhǎng)管內(nèi)部?jī)?chǔ)存樣品的精度(濃度波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差)優(yōu)于0.06×10-6(15min,1σ),與主機(jī)直接分析所得濃度的偏差優(yōu)于0.04×10-6.保存樣品12h后的分析精度優(yōu)于0.08×10-6,與主機(jī)直接分析所得濃度的偏差優(yōu)于0.05×10-6.長(zhǎng)管抽真空后填充單一標(biāo)氣的分析精度優(yōu)于0.06×10-6,與主機(jī)直接分析所得濃度的偏差優(yōu)于0.05×10-6.說(shuō)明長(zhǎng)管可以準(zhǔn)確地保留樣品成分,準(zhǔn)確度優(yōu)于0.05×10-6,精度優(yōu)于0.08×10-6.

圖3 分段填充測(cè)試結(jié)果

圖4 采集樣品的分析結(jié)果

分段填充測(cè)試結(jié)果如表2、圖3所示.2種標(biāo)氣在直接切換分析和間隔填充后分析兩種情況下,CO2濃度差值￡0.06×10-6,表明長(zhǎng)管采樣技術(shù)可以準(zhǔn)確地保留樣品成分.標(biāo)氣直接切換進(jìn)入主機(jī)分析時(shí),徑向混合量(兩種濃度標(biāo)氣混合部分的體積,即濃度過(guò)渡段時(shí)間×流量)為35.1mL,混合主要發(fā)生在主機(jī)之前進(jìn)樣管路與主機(jī)腔體內(nèi).與“基線”相比,標(biāo)氣在長(zhǎng)管及干燥管內(nèi)的混合造成較大的徑向混合量87.4mL.以上兩處混合作用會(huì)影響垂直分辨率.

2.2 垂直探測(cè)結(jié)果

圖4為2次實(shí)驗(yàn)中主機(jī)分析所得原始數(shù)據(jù).具體分析步驟為: 沖洗氣體(使用PG)、FG、平流層樣氣、低層樣氣和PG依次進(jìn)入分析系統(tǒng).最高點(diǎn)樣品的分析時(shí)間為FG與高層樣氣過(guò)渡階段的中間時(shí)刻,最低點(diǎn)樣品的分析時(shí)間為低層樣氣與PG過(guò)渡階段的中間時(shí)刻.FG在分析時(shí)突然升高,可能由于實(shí)驗(yàn)之前管內(nèi)填充了12h的FG,管內(nèi)壁對(duì)FG造成了少量污染,影響了FG的CO濃度,但對(duì)CO2濃度沒(méi)有影響,2次實(shí)驗(yàn)樣品含水率均低于0.002%,對(duì)CO2分析濃度影響可以忽略不計(jì).圖5為數(shù)據(jù)處理后2次實(shí)驗(yàn)的CO2濃度廓線,結(jié)果可反映大氣垂直結(jié)構(gòu)和氣團(tuán)傳輸影響[16].近地面CO2濃度較低,源于夏季陸地生態(tài)系統(tǒng)吸收作用[17].隨高度增加,CO2濃度增高,并呈現(xiàn)一定波動(dòng)(約0.3×10-6~3×10-6),在對(duì)流層上部達(dá)到最高值:13日在384.04hPa氣壓高度處達(dá)到409.2×10-6, 14日在347.04hPa氣壓高度處達(dá)到406.9×10-6.在平流層,由于上對(duì)流層與下平流層交換作用導(dǎo)致CO2濃度不斷降低[18].在廓線最頂端,CO2濃度降至最低, 13日為388.9×10-6(25hPa),14日為384.6×10-6(20hPa).13日實(shí)驗(yàn),當(dāng)采樣載荷下降到827hPa高度時(shí),由于山脈等障礙物遮擋,定位信號(hào)無(wú)法直接傳輸至地面接收模塊,轉(zhuǎn)而使用銥星傳輸數(shù)據(jù),而銥星數(shù)傳模塊的數(shù)據(jù)采集頻率為1次/min,造成827hPa高度以下廓線數(shù)據(jù)只有兩個(gè)濃度值.14日的實(shí)驗(yàn)在793hPa高度以下出現(xiàn)遮擋,僅有四個(gè)濃度值.

2.3 垂直分辨率

長(zhǎng)管采樣分析技術(shù)的有效垂直分辨率與氣體流動(dòng)過(guò)程中的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和CRDS主機(jī)光腔造成的拖尾作用有關(guān).拖尾效應(yīng)的產(chǎn)生原因如下:CRDS主機(jī)響應(yīng)0.5Hz,在110cm3/min(標(biāo)況下)流量下分析,即每3.7cm3(標(biāo)況下)樣氣體積測(cè)量一次.光腔體積為35cm3(標(biāo)況下),由于保持在1.87×104Pa壓力、45℃條件下,標(biāo)準(zhǔn)狀況下有效光腔體積(標(biāo)況下光腔內(nèi)氣體體積)近似為6cm3(標(biāo)況下).多次測(cè)量的氣體在光腔中發(fā)生混合,會(huì)產(chǎn)生拖尾效應(yīng).6cm3(標(biāo)況下)相當(dāng)于長(zhǎng)管中采集氣體0.28m,近似于CO2分子擴(kuò)散10min的距離.這一等效擴(kuò)散距離遠(yuǎn)小于分析之前樣氣在管內(nèi)分子擴(kuò)散的距離.故在計(jì)算垂直分辨率時(shí)不考慮分析主機(jī)的拖尾效應(yīng).

Karion等[19]的研究已證明,在長(zhǎng)管采樣和分析條件下,管內(nèi)的氣體保持層流狀態(tài),氣體運(yùn)動(dòng)是分子擴(kuò)散和泰勒分散的疊加,徑向分子擴(kuò)散和泰勒分散共同導(dǎo)致氣體在管內(nèi)的徑向混合[20],可用于表征垂直分辨率.

有效擴(kuò)散系數(shù)為分子擴(kuò)散和泰勒分散系數(shù)的加和[21]:

而管內(nèi)氣體混合距離可以表示為:(考慮到氣體向兩個(gè)方向同時(shí)擴(kuò)散和混合)

式中:為落地后關(guān)閉采樣閥到分析結(jié)束的時(shí)間.

垂直分辨率可以用壓力表示:

式中:為采樣管長(zhǎng)度;P為地面大氣壓.

由式(6)可知,在主機(jī)腔體拖尾效應(yīng)可忽略、分析延遲時(shí)間一定的情況下,長(zhǎng)管采樣分析的分辨率僅與管長(zhǎng)和管徑有關(guān).對(duì)于同一采樣管,由于中高層(平流層底部)的壓力梯度遠(yuǎn)小于近地面和中下層(對(duì)流層),采集到的中高層樣品量遠(yuǎn)小于中下層樣品.為了更好地獲得平流層濃度分布,本研究采用兩段不同管徑連接組成采樣管,使得中高層大氣進(jìn)入3.18mm一端,有利于獲得更高的平流層大氣CO2分辨率.

圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的垂直分辨率

3 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)研發(fā)了下投式溫室氣體垂直廓線采樣分析系統(tǒng),通過(guò)兩次外場(chǎng)實(shí)驗(yàn),證明該系統(tǒng)可以直接采集近地面至平流層(0~25km)大氣樣品并進(jìn)行高精度分析,分析精度優(yōu)于0.08×10-6,得到高分辨率CO2濃度廓線.

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致謝：感謝法蘭克福歌德大學(xué)大氣與環(huán)境科學(xué)研究所(Institute for Atmospheric and Environmental Science, Goethe University Frankfurt)的Andreas Engel博士在分析系統(tǒng)和采樣器設(shè)計(jì)方面提供的技術(shù)指導(dǎo).感謝內(nèi)蒙古錫林浩特國(guó)家氣候觀象臺(tái)業(yè)務(wù)人員對(duì)外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的支持.

A balloon-borne sampler system based on the pressure gradient for vertical profile measurements of CO2.

LIANG Miao1, FANG Shuang-xi1*, LIU Yi2, YAO Bo1, WANG Yong2, MA Qian-li3, YI You2, GUO Min-rui4

(1.Meteorological Observation Centre, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China；2.Key Laboratory for Middle Atmosphere and Global Environment Observation, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China；3.Zhejiang Lin’an Regional Atmosphere Watch Station, Lin’an 311307, China；4.College of Global Change and Earth System Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)., 2019,39(10)：4117~4124

A balloon-borne sampling system for vertical profile of atmospheric CO2from the surface to 25 km was developed and field-tested. The sampler is deployed on a stratospheric balloon and relies on passively collecting air using the atmospheric pressure gradient during descent. The atmospheric sample through continuous sampling is measured by a cavity ring-down spectrometer (CRDS) for CO2upon recovery. Field campaigns were conducted for the first time on June 13thand 14th, 2018 at Xilinhaote Observatory. Measurements of CO2mole fractions in laboratory tests indicated a repeatability of 0.08×10-6and bias to better than 0.06×10-6(1σ) for CO2under various conditions. The vertical resolution with our configuration was determined to be 580m up to 10km and better than 2.0km up to 20km respectively according to the molecular diffusion of the sample. The system provides an in situ method of greenhouse gas measurements for validation of satellite data and estimation of regional flux.

sampling system；CO2；vertical profiles；vertical resolution；stratosphere

X830.2

A

1000-6923(2019)10-4117-08

梁 苗(1987-),女,山西運(yùn)城人,博士,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)闇厥覛怏w及相關(guān)微量成分.發(fā)表論文4篇.

2019-01-24

科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFB0504000);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41805129 & 41730103)

* 責(zé)任作者, 研究員, fangsx@cma.gov.cn