农业复合面源开放光路甲烷通量测量技术及应用研究

发布时间：2020-04-22 16:28

【摘要】：温室效应就是由于大气中二氧化碳等气体含量增加,使全球气温升高的现象。气温升高,将导致某些地区雨量增加,某些地区出现干旱,飓风力量增强,出现频率也将提高,自然灾害加剧。二氧化碳作为人类生产社会活动所排放的首要温室气体,其对温室效应的影响已引起了国内外科学界的广泛关注。但是空气中具有强烈温室效应的微量气体的影响同样不容忽视。全球增温潜势(global warming potential,简称GWP)的分析显示,甲烷单位分子数的温室效应比二氧化碳大20多倍。大气中的甲烷气体浓度受到人类活动的影响很大,农业排放是大气甲烷主要人为排放源之一。因此,农田甲烷排放通量长期监测对于准确评估农业面源甲烷排放水平具有重要意义。开放光路气体浓度检测技术可在作物自然生长状态下连续自动检测农田气体排放浓度,结合气象参数,基于反向扩散模型可计算农田气体排放通量。然而,在区域农业面源通量的测量过程中,被测农田区域与相邻农田构成复合排放源,通量测量受到相邻田地气体排放的干扰。论文开展了农业复合面源排放通量测量关键技术与应用研究,主要研究内容及成果如下:(1)叙述了开放光路激光吸收光谱气体浓度测量和反向扩散模型气体排放率计算的原理,分析研究了农业复合面源甲烷通量测量面临的问题,将复合面源通量测量问题转变为区域内不同待测源之间交叉干扰的解析问题,提出了基于待测源和风向特征的农业复合面源通量检测系统总体设计方案与复合面源通量检测方法。(2)研究了开放光路激光气体吸收光谱测量的关键技术问题。提出了一种改进的基于互相关的波长偏移修正算法,提高了测量光谱波长对准的精度;基于信号主成分分析,根据信号与噪声对信号的贡献值不同,提出了级联分阶式奇异值分解光谱优化算法,增强了光谱信号的抗干扰能力;研究了大气湍流对激光检测光强和相位起伏的影响,提出了一种同频双波的光谱数据处理算法,降低了大气湍流的闪烁噪声影响;采用一个周期内同频双波谐波相位之间的关系,降低了大气湍流造成的相位起伏影响。研发了激光吸收光谱信号检测电路和控制分析软件。(3)开展了气体检测浓度测量与气象参数测量的评估实验,分析了数据质量。利用光学多次反射样品池和标准浓度气体进行了气体浓度测量实验,结果表明,实验室的静态准确性标准差为0.02725,10组重复性的标准差均优于0.03155,测量曲线与拟合曲线的相关系数达到0.990,静态稳定性标准差为0.04998,静态响应时间τ3s。采用旋转的薄相位屏仿真大气湍流,进行了模拟环境的准确性与重复性评估,准确性标准差优于0.0548,重复性标准差优于0.06801;微气象参数的测定与评估主要包括气象参数软件设计,选择实验大楼零风环境进行了风偏测试,并与基准仪器进行相同环境下的一致性分析,两个传感器的平均风速相关性为0.8127。(4)开展了通量测量系统的外场模拟实验,检验了通量测量的准确性和环境适应性。采用人工模拟甲烷挥发源构建了实验场地,对比分析了人工模拟甲烷挥发源的释放速率Q与反向扩散模型得到的QbLs,QbLS/Q结果范围在0.7929～1.014,验证了反向扩散模型的准确性;通过两套测量装置,分别进行了理想环境、源下风向与源上架设环境干扰情况下的实验,结果表明,理想环境下QbLS/Q的标准差为0.0277,源下风向架设得到的QbLS/Q标准差为0.0283,源上架设的QbLS/Q标准差为0.0256,说明局部风干扰对气体通量测量误差可以忽略不计。(5)开展了农业复合面源外场实验及数据分析。在外场构建了采用两个模拟排放源的复合面源排放场景,利用本论文提出的复合面源通量测量方法进行了实验测量,结果表明,待测源a的QbLSa/Qa的标准差为0.173,待测源b的QbLSb/Qb的标准差为0.1842,实现了待测区域内不同排放源气体通量的准确测量;在中科院封丘生态站开展了农田复合面源甲烷通量测量外场实验,对不同施肥方式的待测区域进行测量,待测源a的通量结果平均值为31.1402ug/m2/s,待测源b为43.7159 ug/m2/s,实现了复合面源甲烷通量排放的准确测量。
【图文】：

温室效应,甲烷

１章第１章绪论逡逑１．１研究背景与意义逡逑全球气候变化问题不容小觑，近年来关注逐步加强。甲烷作一重要因素，其温室效应影响仅仅低于二氧化碳。虽然大气中甲氧化碳，但在甲烷与二氧化碳等量的前提下，甲烷对温室效应的的２２倍，其中２６％的温室效应是由甲烷引起的，它具有较高的的减排空间。并且大气中甲烷的含量对于辐射过程研究也是至的甲烷气体浓度受到人类活动的影响很大，人为因素造成的甲烷排放的６０％。但主要排放源来自农业活动，有研究结果表明农占人为甲烷排放的约三分之一［１４］。逡逑

示意图,水平径向,羽流,示意图

水平径向羽流映射将调查区域分为笛卡尔矩形单元网格。在每一个单元中放逡逑置反射镜，通过测量设备扫描到反射镜确定被测区域每个单元的平均浓度，结合逡逑气象信息，计算排放通量，如图１．２所示。逡逑ｆ邋７丨邋８邋Ｉ邋／邋９逡逑－邋也邋！逦ｒ邋／逡逑，丨１邋／邋／逦逡逑５０－邋６逡逑－ｎｙ逦２邋—＂ｒ逡逑0邋＿邋逦＾逦逦逦逡逑Ｘ轴逡逑＿Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦１逦逡逑０逦５０逡逑图１．２水平径向羽流映射示意图（引自Ｈａｓｈｍｏｎａｙｅｔａｌ．，２００８）逡逑垂直径向羽流映射使用多个光束路径测量垂直气体浓度分布，作为测量函数。逡逑测量设备顺序扫描多个角反射镜组件。角反射镜组件其中三个沿地平面侧风方向逡逑架设，另外两个沿垂直方向架设，附加的配置在侧风方向上提供了更好的羽流空逡逑间定义＾１４１。随着测量设备在每个路径组件之间循环，收集气体浓度数据，实现逡逑２逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S181

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