通量指的是單位時間單位面積的物質(zhì)交換量，常用于衡量表征不同生態(tài)系統(tǒng)之間的物質(zhì)與能量交換強度，在生態(tài)學(xué)研究中已有廣泛的應(yīng)用。城市生態(tài)系統(tǒng)作為最特殊的生態(tài)系統(tǒng)，具有人口密度高，污染物排放密度大的特征。研究城市生態(tài)系統(tǒng)污染物的物質(zhì)交換是十分重要的。通量觀測作為最直接物質(zhì)交換測量方法，對測量的高度和觀測位點的空間形態(tài)有著較高的理論要求。城市下墊面復(fù)雜的建筑單元和湍流結(jié)構(gòu)使得城市高塔成為合理的觀測位點，但城市高塔內(nèi)有限的空間和供電條件難以承載原位測量。因此，城市高塔的異位觀測成為城市通量觀測的較優(yōu)解(圖1為暨南大學(xué)團隊基于北京氣象塔的異位觀測系統(tǒng)示意圖)。

圖1. 暨南大學(xué)團隊基于城市高塔的異位通量觀測系統(tǒng)示意圖

暨南大學(xué)袁斌教授與合作者在位于北京市中國科學(xué)院大氣物理研究所的北京氣象鐵塔（圖1），基于超長采樣管路對氣態(tài)大氣組分(包括揮發(fā)性有機物，溫室氣體等)進行基于高塔的通量觀測。該氣象塔高325米，位于北京市北三環(huán)路與北四環(huán)路之間，建成于1979年，主要為北京地區(qū)空氣污染和大氣邊界層、大氣湍流等研究提供觀測平臺，該氣象塔高度為世界三。周邊地勢相對平坦，建筑多為居民區(qū)和商業(yè)區(qū)，并有條帶狀分布的城市公園綠化帶。北京氣象塔成為研究城市物質(zhì)交換，溫室氣體和污染物形成及排放機制的佳測量位點。

圖2. 北京氣象鐵塔實拍圖片 (圖片來源：暨南大學(xué))

在該期觀測實驗中，暨南大學(xué)團隊將三維超聲風(fēng)速儀和PFA 采樣管路架設(shè)在北京氣象鐵塔102m平臺(圖2)。基于超長PFA管路和位于地面的在線分析儀器，能夠有效測量獲取多類組分濃度的高時間分辨率垂直觀測數(shù)據(jù)。經(jīng)過技術(shù)評估，超長管路的對多類組分的損耗較小(150m管路損耗小于5%)，可滿足和實現(xiàn)異位通量觀測和垂直梯度觀測的技術(shù)需求。成果得到了業(yè)內(nèi)專家的認可，已作為內(nèi)封面(Front inside cover)發(fā)表在Environmental Science: Atmospheres期刊¹。

圖3. 圖為三維超聲風(fēng)速儀和PFA 采樣管路在102m平臺架設(shè)的實物圖。

在通量觀測系統(tǒng)中，需要能夠捕捉和表征污染物微小波動的污染物檢測器。這些檢測器需要達到超高的采樣頻率，通常需要達到與三維超聲風(fēng)速儀相同的采樣頻率(10Hz：采樣間隔為0.1s)。這對儀器的各項技術(shù)指標(biāo)提出了高的要求。

北京澳作生態(tài)與暨南大學(xué)團隊袁斌教授合作，將最新引進的Aerodyne雙激光痕量氣體分析儀（TILDAS）測量系統(tǒng)應(yīng)用于高塔的通量觀測中。該套系統(tǒng)采用可調(diào)諧紅外激光直接吸收光譜技術(shù)，借助在中紅外波長段目標(biāo)分子指紋躍遷頻率光譜的穩(wěn)定性，采用像散型多光程吸收池技術(shù)，將光路延長達76m甚至更長（210m），進一步提高了靈敏度。該儀器不僅能夠?qū)Π?/span>N₂O, NH₃, CO₂, CH₄, CH₃OH, O₃共六種大氣組分的濃度同時開展10Hz的觀測，而且其數(shù)據(jù)采集模塊能夠穩(wěn)妥的將采集到的高頻數(shù)據(jù)記錄下來，滿足高頻測試和高頻記錄的雙重需求，整套系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。

圖4. Aerodyne雙激光痕量氣體分析儀的實物圖(長×寬×高為：70*56*62)。