使用闭路和开路分析仪比较测量森林中的CO2通量外文翻译资料

 2022-11-23 07:11

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毕业论文

英文翻译

原文标题COMPARATIVE MEASUREMENTS OF CO2 FLUX PVER A FOREST USING CLOSED-PATH AND OPEN-PATH CO2 ANALYSERS

译文标题 使用封闭路径和开放路径CO2分析仪对森林中CO2通量的比较测量

二0一七 年 四 月 二十八 日

使用闭路和开路分析仪比较测量森林中的CO2通量

YUKIO YASUDA and TSUTOMU WATANABE

Forest Environment Division, Forestry and Forest Products Research Institute, P.O. Box 16,

Tsukuba-Norin, Ibaraki 305-8687, Japan

(于2000年12月18日收到)

摘要 一个使用闭路CO2分析仪的涡度协方差系统已经建立了，为了长期测量森林上的CO2通量并实验性地评估其总响应频率。通过初步试验检查了系统的振幅和相位响应，其中向系统输入了规定排放模式的二氧化碳。结果表明，随着频率的增加，系统输出的幅度减弱，半功率频率为0.3Hz。该阶段被延迟通过长管的空气采样，但随着频率的增加，相位的延迟降低。由于涡度协方差测量的系统响应不足，我们然后提出了一种新的技术校正了流失的CO2通量。1997年的三天内，我们利用现有的系统和校正技术，在温带落叶林中测量了二氧化碳的日变化。将结果与使用快速响应开放式气体分析仪测量的CO2流量进行比较。来自封闭路径系统的二氧化碳排放量与Webb，Pearman之后的开放系统的二氧化碳排放量一致。在目前对森林的测试中，频率响应校正对二氧化碳排放的贡献很小，平均百分比在白天只有3％。然而，如果将该系统应用于较短的植被地点，则百分比可能会增加。通过比较证实，我们可以使用目前的闭路系统和校正技术获得正确的CO2流量测量。

关键词：闭路分析仪，开路分析仪，CO2通量，涡度协方差法，森林，频率响应。

1.介绍

自从开发了快速响应CO2分析仪以来，已经进行了二氧化碳的涡度协方差测量（Ohtaki，1982）。 快速响应CO2分析仪具有用于测量CO2浓度的开放光路。 开放式二氧化碳分析仪可以检测二氧化碳浓度的小而快速的波动是涡流协方差法的理想特征。 然而，市场上可用的一些开放式路径分析仪仍然有缺点。 由于水质不完善，不能下雨，需要大量维护才能保持运行。 对于长期测量，开路分析仪通常是不可靠的。另一方面，闭路CO2分析仪是一种普通的CO2分析仪，它具有封闭的光路，用于测量二氧化碳浓度。许多研究人员使用闭路径分析仪进行了涡度协方差测量（Fanet al，1990; Shurpali等，1995; Goulden等，1996; Valentini等，1996; Malhi等，1998等）。使用闭路分析仪的优点包括测量的稳定性和准确性，操作的简单性,方便使用标准气体进行定期校准。具有这些优点，闭路CO2分析仪适用于长期测量。然而，闭路CO2分析仪也有缺点。为了通过闭路径分析仪连续测量大气CO2，我们必须使用空气泵将样品空气通过采样管抽入分析仪中的样品池中。这种抽样过程会导致二氧化碳浓度的减少，从而导致二氧化碳排放量的低估。衰减的程度取决于三个主要因素：管长度，管直径和采样管内空气流（层流或湍流）的状态（Lee et al，1996）。二氧化碳排放的衰减也是由于分析仪的反应缓慢以及样品池在分析仪中的缓冲作用引起的。 Leuning和Moncrieff（1990）和Suyker和Verma（1993）将这些衰减过程表示为管传递函数，并且显示了用于校正由衰减过程引起的流失的技术。除了进程之外，Leuning和Judd（1996）讨论了电子带由于流过样品池而导致的宽度限制和滤波。他们的修正技术已经成功地用于某些测量（Shurpali等人，1995;瓦伦蒂尼等人1996年Malhi等，1998）。 Moncrieff等人（1997）介绍一种用于使用闭路径分析仪进行涡度协方差测量的系统。通过校正，闭路分析仪原则上可以用于CO2流量的长期测量。在本文中，我们描述了使用涡度协方差测量系统封闭路径分析仪设计用于长期研究，并报告性能的系统针对开放路径系统进行测试。虽然几位研究人员对短期植被进行了类似的测试（Leuning and Moncrieff，1990;Leuning and King，1992; Suyker和Verma，1993），我们进行了测试并获得了有关测量技术的进一步信息计算二氧化碳。

2.理论

在本节中，我们总结了涡流协方差法确定CO2流量的理论。 一般来说，我们必须在计算中对消除进行一些更正，显热和水蒸汽转移的密度效应（Webb等人，1980）。 修正的技术根据不同而用于测量不同二氧化碳密度的仪器类型。

2.1.1 开路CO2分析仪

对于涡度协方差测量，CO2（Fc）的总流量可以表示为

, (1)

其中rho;a是干燥空气密度，w是垂直风速，xi;c是CO2相对于干燥空气的混合比（Webb et al，1980）。 横杠和初期分别表示平均值的时间平均值和波动。 然而，开路CO2分析仪测量CO2的密度（rho;c）而不是混合比。 必须以不同的方式计算二氧化碳流量。校正后的CO2气体Fcc计算如（Webb等，1980）

, （2）

其中T是空气温度，rho;是水蒸气的密度，sigma;=rho;macr;/rho;macr;是水蒸汽与干燥空气的主题密度比，mu;是分子水的重量与干燥空气。 右侧的第二和第三项等式（2）是由于水引起的空气密度的波动的校正项蒸汽和明智的热流。 这些修正被称为WPL。

2.1.2 闭路CO2分析仪

当使用闭路分析仪时，Fcc由下式表示（Leuning and Moncrieff，1990; Suyker and Verma，1993）

, （3）

其中p是气压，下标I表示样品池内的条件是闭路径分析器，并且T1和p1在平均周期中是恒定的。注意，样品空气中的温度波动必须减弱空气通过等式（3）的采样管被抽出（Leuning和Moncrieff，1990）。 等式（3）表示与w`T`相关联的校正项对于闭路径分析器，小于等式（2）所示的开路分析器。 在等式（3）中包括wT的术语源于对水汽的校正。 如果二氧化碳和水蒸汽的密度是通过闭路径分析仪同时测量，校正后的CO 2流量F cc，是（Suyker和Verma，1993）

, （4）

, （5）

其中Xc和Xq是潮湿空气中的CO 2和H 2 O摩尔分数，而mc和ma是二氧化碳和干燥空气的分子量。 如果水蒸气是从样品空气或蒸汽中出去的，在样品空气送入样品池前水分会减弱

（rho;vIasymp;0或rho;vIasymp;0），Fcc可以简单地表达为

. （6）

等式（6）表明在这种情况下不再需要WPL校正。对于等式（6）的应用，需要使用高速干燥器对样品空气进行除湿。

3 测量

3.1 地点

田间试验是在日本的阔叶落叶林中进行的，（日本，35.9°N，139.5°E）。森林面积约40公顷，被住宅区和作物场所包围，森林的地形几乎是平的。 主要的树木是栎属（Konara oak），CarpinusLaxki fl ora（Hornbeam），Ilex macropoda和Clethra barbinervis。顶棚高度约为15米，夏季叶面积指数达到最高值5.5。 一座25米高的塔楼建在森林中心，塔上安装了各种仪器，用于气候观测。

3.2 涡流变化测量

在塔的高度20米处进行涡度协方差测量（也就是说冠层5米以上）。湍流仪器包括三维声学气溶血温度计（DAT-310型，日本东京开窑），开放式二氧化碳分析仪（E009A，Advanet，Okayama，Japan）和闭路CO2 / H 2 O分析仪（LI-6262，LI-COR，Lincoln，NE，U.S.A。）。平均气温和平均值使用吸气式温湿度计（HMP35D，维萨拉，赫尔辛基，芬兰）与涡流协方差传感器在相同的高度测量。来自传感器的信号通过具有20Hz截止频率的低通滤波器以5Hz进行采样。将所有原始数据记录在具有数字数据记录器（DRM2a，TEAC，Tokyo，Japan）的磁光盘上。使用声波风速计和开路CO2分析仪，与闭路径测量同时进行普通涡度协方差测量。使用闭路CO2分析仪的测量系统的细节将在下一节中介绍。

3.2.1使用闭路CO2分析仪的涡度协方差系统

LI-6262是一种差分非分散红外二氧化碳分析仪，响应时间快（0.1 s），因此LI-6262适用于涡度协方差测量，其中需要测量二氧化碳密度的快速扩散的能力。

图1显示了使用闭路径的涡度协方差系统的CO2分析仪。 LI-6262被放在位于基地的测量舱内塔。将样品空气通过聚乙烯管（28m长; 6mm 直径）从放置在声波风速计正下方的入口放在带有隔膜泵的舱内。 然后将样品空气通过相同的泵推到分析仪然后通过直径4 mm的聚乙烯管子进入分析仪的样品池（SEC-400，STEC，京都，日本）。泵在14度抽出空气，剩余空气从刚刚排出的排气口释放出来（子采样方法）。

通过空气干燥器（MD气体干燥器，ZBJ02502-72P，Perma-pure，Tomas River，NJ，U.S.A。）除去样品空气中的水蒸汽。 该空气干燥器具有仅能通过水蒸汽渗透的高聚合物膜管。 通过将样品空气和干燥空气分别通过膜管的内部和外部，水蒸气向水蒸气压的下降方向移动，即从膜管的内部向外部移动。水蒸汽因此可以高速地移除样品空气。 尽管测量水汽流的机会已经丧失，但采用除湿来计算CO2通量是有利的，可以避免样品池中露水的危险，并且能够使用仅测量二氧化碳浓度的备用分析仪（LI-6252，LI-COR）。 在我们的现场，使用涡流协方差法（Watanabe et al。，2000），用不同的系统测量水蒸汽流量。

用压力表保证采样管中的表压位于流量控制器之后。 在样品池的出口处，温度和湿度在样品空气中用温湿度计（HMP-230，维萨拉）监测。

二氧化碳浓度的模拟信号取自LI-6262的原始电压端子。 还记录了内部分析仪温度的模拟信号，将原始电压数据转换为CO2浓度数据。在白天每3小时和夜间每6小时，对纯N2气和二氧化碳标准气进行校准。使用由个人计

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