基于城市高塔的异位通量观测系统的实例的异位通量观测系统的应用实例
通量指的是单位时间单位面积的物质交换量，常用于衡量表征不同生态系统之间的物质与能量交换强度，在生态学研究中已有广泛的应用。城市生态系统作为最特殊的生态系统，具有人口密度高，污染物排放密度大的特征。研究城市生态系统污染物的物质交换是十分重要的。通量观测作为最直接物质交换测量方法，对测量的高度和观测位点的空间形态有着较高的理论要求。城市下垫面复杂的建筑单元和湍流结构使得城市高塔成为合理的观测位点，但城市高塔内有限的空间和供电条件难以承载原位测量。因此，城市高塔的异位观测成为城市通量观测的较优解(图1为暨南大学团队基于北京气象塔的异位观测系统示意图)。
图1.暨南大学团队基于城市高塔的异位通量观测系统示意图
暨南大学袁斌教授与合作者在位于北京市中国科学院大气物理研究所的北京气象铁塔（图1），基于超长采样管路对气态大气组分(包括挥发性有机物，温室气体等)进行基于高塔的通量观测。该气象塔高325米，位于北京市北三环路与北四环路之间，建成于1979年，主要为北京地区空气污染和大气边界层、大气湍流等研究提供观测平台，该气象塔高度为世界三。周边地势相对平坦，建筑多为居民区和商业区，并有条带状分布的城市公园绿化带。北京气象塔成为研究城市物质交换，温室气体和污染物形成及排放机制的佳测量位点。
图2. 北京气象铁塔实拍图片 (图片来源：暨南大学)
在该期观测实验中，暨南大学团队将三维超声风速仪和pfa 采样管路架设在北京气象铁塔102m平台(图2)。基于超长pfa管路和位于地面的在线分析仪器，能够有效测量获取多类组分浓度的高时间分辨率垂直观测数据。经过技术评估，超长管路的对多类组分的损耗较小(150m管路损耗小于5%)，可满足和实现异位通量观测和垂直梯度观测的技术需求。成果得到了业内专家的认可，已作为内封面(frontinsidecover)发表在environmental science: atmospheres期刊1。
图3. 图为三维超声风速仪和pfa 采样管路在102m平台架设的实物图。
在通量观测系统中，需要能够捕捉和表征污染物微小波动的污染物检测器。这些检测器需要达到超高的采样频率，通常需要达到与三维超声风速仪相同的采样频率(10hz：采样间隔为0.1s)。这对仪器的各项技术指标提出了高的要求。
北京澳作生态与暨南大学团队袁斌教授合作，将最新引进的aerodyne双激光痕量气体分析仪（tildas）测量系统应用于高塔的通量观测中。该套系统采用可调谐红外激光直接吸收光谱技术，借助在中红外波长段目标分子指纹跃迁频率光谱的稳定性，采用像散型多光程吸收池技术，将光路延长达76m甚至更长（210m），进一步提高了灵敏度。该仪器不仅能够对包括n2o, nh3, co2, ch4, ch3oh, o3共六种大气组分的浓度同时开展10hz的观测，而且其数据采集模块能够稳妥的将采集到的高频数据记录下来，满足高频测试和高频记录的双重需求，整套系统运行稳定可靠。
图4. aerodyne双激光痕量气体分析仪的实物图(长×宽×高为：70*56*62)。
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图4. aerodyne双激光痕量气体分析仪的实物图(长×宽×高为：70*56*62)。
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