[发明专利]一种温室气体排放通量的中红外光谱测量系统及方法

权利要求书

1.一种温室气体排放通量的中红外光谱测量系统，其特征在于包括：不同采样高度的第一进气口（1）和第二进气口（2）、第一气阀（3）、第二气阀（4）、三通阀（5）、Nafion管（6）、装有化学干燥剂的干燥管（7）、气体质量流量控制计（8）、气体样品池（10）、FTIR光谱仪（11）、抽气泵（12）、氮气吹扫泵（13）、计算机（14）和三维超声风速仪（15）；所述第一气阀（3）和第二气阀（4）分别控制第一进气口（1）和第二进气口（2）中的气体进入气体传输气路；所述三通阀（5）具有a、b、c三个方向的阀口，a方向阀口分别与第一气阀（3）和第二进气阀（4）相连，b方向阀口接入待测样品气体传输气路，c方向阀口接入干燥纯氮气或标准样气；当气体样品池（10）抽入第一进气口（1）或第二进气口（2）采样气体时，三通阀（5）的a-b方向阀口气路通气，c-b方向阀口气路闭合；当气体样品池（10）抽入氮气或标准样气时，三通阀（5）的c-b方向阀口气路通气，a-b方向阀口气路闭合；所述Nafion管（6）和干燥管（7）用于对进入气体样品池（10）前的气体进行干燥，去除水汽的影响；气体样品池（10）的出气口连接一个抽气泵（12），抽气泵（12）连续工作；FTIR光谱仪（11）与气体样品池（10）共同置于密封箱（9）内；气体样品池（10）的进气口用一个气体质量流量控制计（8）来控制气体流量；所述的抽气泵（12）抽取环境大气到第一进气口（1）或第二进气口（2）中；所述氮气吹扫泵（13）置于密封箱（9）附近；所述三维超声风速仪（15）置于第一进气口（1）和第二进气口（2）附近，用于实时测量两个进气口采样高度附近周围环境的风场特征信息；所述FTIR光谱仪（11）用于测量两个高度采样的样品气体浓度；所述第一进气口（1）和第二进气口（2）采样的气体在抽气泵（12）的作用下分别依次通过管路连通的第一气阀（3）、第二气阀（4）、三通阀（5）、Nafion管（6）、干燥管（7）和气体质量流量控制计（8）进入气体样品池（10），由FTIR光谱仪（11）采集通过气体样品池（10）的待测气体的红外光谱；所述FTIR光谱仪（11）、三维超声风速仪（15）、第一气阀（3）和第二气阀（4）、三通阀（5）均由所述计算机（14）控制，将FTIR光谱仪（11）测量的两个高度采样的样品气体浓度与三维超声风速仪（15）测量的风场特征信息在取平均，代入计算机（14）中，通过计算机（14）计算获得测量系统所在区域内待测气体的地表排放通量。

2.根据权利要求1所述的温室气体排放通量的中红外光谱测量系统，其特征在于：所述第一进气口（1）和第二进气口（2）的采样高度在测量区域植被冠层顶部以上2h高度的惯性亚层内，h是植被冠层的高度。

3.根据权利要求1所述的温室气体排放通量的中红外光谱测量系统，其特征在于：所述的抽气泵（12）的流速为3L min^-1。

4.根据权利要求1所述的温室气体排放通量的中红外光谱测量系统，其特征在于：所述干燥管（7）中的化学干燥剂为无水高氯酸镁干燥剂。

5.根据权利要求1所述的温室气体排放通量的中红外光谱测量系统，其特征在于：所述气体样品池（10）为多通道反射样品池，容积为16L，光程为46m。

6.根据权利要求1所述的温室气体排放通量的中红外光谱测量系统，其特征在于：所述气体质量流量控制计（8）控制气体流量的流速范围为0.5-1.5L min^-1。

7.根据权利要求1所述的温室气体排放通量的中红外光谱测量系统，其特征在于：所述密封箱（9）为有机玻璃，有吹扫口，在采集光谱过程中氮气吹扫泵（13）以1L min^-1流速向密封箱（9）实时吹扫干燥高纯氮气。

8.根据权利要求1所述的温室气体排放通量的中红外光谱测量系统，其特征在于：所述三维超声风速仪（15）测量高度的范围为2m-3m。

9.一种温室气体排放通量的中红外光谱测量方法，其特征在于实现如下：

首先用抽气泵（12）将气体样品池（10）抽成固定的低压，所述低压低于50mb，然后向气体样品池（10）抽入高纯氮气即9.99%，待气体样品池（10）内高纯氮气保持在恒定压力和恒定温度后，所述恒定压力范围为800mb到1000mb，所述恒定温度范围为28℃到30℃，利用FTIR光谱仪（11）采集高纯氮气光谱作为背景光谱；当采集完背景光谱后，将气体样品池（10）抽成固定的低压，然后向气体样品池（10）中充入CO₂、CH₄和N₂O混合的标准样气，待气体样品池（10）内标准样气保持在恒定压力和恒定温度后，利用FTIR光谱仪（11）采集标准样气光谱，由背景光谱和标准样气光谱反演得到标准样气中CO₂、CH₄和N₂O的浓度值，由反演的各气体浓度值与标准样气中实际的浓度值进行比较得到校准系数，作为待测气体校准的依据；通过第一进气口（1）向气体样品池（10）中抽入环境大气至恒定压力和恒定温度后，利用FTIR光谱仪（11）采集样品气体光谱，由背景光谱和样品气体光谱反演得到环境大气中CO₂、CH₄和N₂O的浓度值，再结合校准系数对各气体的反演值进行修正得到环境大气各气体测量值，测量完成后，将气体样品池（10）抽成固定的低压；然后通过第二进气口（2）向气体样品池（10）中抽入环境大气至恒定压力和恒定温度后利用FTIR光谱仪（11）采集样品气体光谱，由背景光谱和样品气体光谱反演得到环境大气中CO₂、CH₄和N₂O的浓度值，再结合校准系数对各气体的反演值进行修正得到环境大气各气体测量值，测量完成后，将气体样品池（10）抽成固定的低压；第一进气口（1）和第二进气口（2）分别由第一气阀（3）和第二气阀（4）控制依次抽入环境大气到气体传输气路，除了每天定时的校准过程，第一进气口（1）和第二进气口（2）依次抽气到气体样品池（10）进行光谱分析的两个过程交替进行；

在FTIR光谱仪（11）测量两个高度采样的样品气体浓度的同时，用三维超声风速仪（15）实时测量进气口采样高度附近周围环境的风场特征信息，包括速度u*和气稳定度长度L，将FTIR光谱仪（11）测量的两个高度采样的样品气体浓度与三维超声风速仪（15）测量的风场特征信息分别在30分钟内取平均，输入至计算机（14）中，获得测量系统所在区域内待测气体的地表排放通量。