通量指的是單位時間單位面積的物質交換量，常用于衡量表征不同生態(tài)系統(tǒng)之間的物質與能量交換強度，在生態(tài)學研究中已有廣泛的應用。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)污染物的物質交換是十分重要的。通量觀測作為最直接物質交換測量方法，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。城市下墊面復雜的建筑單元和湍流結構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

暨南大學袁斌教授與合作者在位于北京市中國科學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)

在該期觀測實驗中，暨南大學團隊將三維超聲風速儀和PFA 采樣管路架設在北京氣象鐵塔102m平臺(圖2)?；诔LPFA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. 圖為三維超聲風速儀和PFA 采樣管路在102m平臺架設的實物圖。

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指標提出了高的要求。

北京澳作生態(tài)與暨南大學團隊袁斌教授合作，將最新引進的Aerodyne雙激光痕量氣體分析儀（TILDAS）測量系統(tǒng)應用于高塔的通量觀測中。該套系統(tǒng)采用可調諧紅外激光直接吸收光譜技術，借助在中紅外波長段目標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，將光路延長達76m甚至更長（210m），進一步提高了靈敏度。該儀器不僅能夠對包括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)。