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水蒸气是大气中最重要的温室气体，在地球的水分和能量平衡中发挥着重要作用。可靠观测和准确估算大气水汽(H2O)通量对于生态系统管理和地球系统模型的开发至关重要。目前，涡度协方差(EC)技术被为是测量各种生态系统类型中能量、碳和水蒸气湍流通量的标准方法，该技术的发展主要依赖快速响应的水汽浓度传感器。
为满足研究需要，海尔欣·昕甬智测联合中国科学院大气物理研究所王凯所在的研究团队与宁波诺丁汉大学研发了一款高精度快响应的开路式激光水汽分析仪——HT1800。该仪器基于可调谐激光吸收光谱(TDLAS)技术，采用近红外波段(1392 nm)的激光源和开放式的测量光路，实现大气水汽浓度的高频(10 Hz)连续测定，以最小扰动捕捉水汽的湍流脉动变化，进而基于涡动相关原理直接获得地表与大气间的水汽交换通量，是测量潜热通量，ET通量，和对其他气体通量进行水汽校正的仪器。
研究团队制备了两台HT1800水汽开路分析仪，其激光波长分别为1392 nm 和1877 nm。通过与欧洲共同体界两种水蒸气分析仪LI-7500RS和IRGASON的相互比较实验，对这两种分析仪的现场性能进行了评估(图1)。三种分析仪测得的水蒸气密度与参考传感器的整体一致性很高。HT1800、LI-7500和IRGASON的平均密度漂移分别为 3.7%-5.2%、4.0% 和 3.8%。同时，HT1800测得的半小时平均水通量与LI-7500RS和IRGASON的测量结果高度一致，差异仅为−0.2%~1.6%(图2)，表明HT1800可以准确地测量大气中的水分含量。HT1800在数据可用性、通量检测限和对高频湍流变化的响应等方面也适用于欧共体应用。
此外，团队还研究了光谱效应如何影响 H2O 密度和通量的测量。发现波长为1392nm的激光器更容易受到光谱效应的影响，但校正这种偏差后的通量与IRGASON的通量显示出高一致性。考虑到激光器和光电探测器的成本优势，以及实现量产后将具有的竞争优势，该仪器可为地表蒸散发的高频测量和其他痕量气体通量的水汽干扰效应矫正提供一种经济且有效的自主解决方案。
图1 HT1800开路式水汽分析仪与两款美国进口仪器(LI-7500RS和IRGASON)野外对比观测
图2 HT1800开路式水汽分析仪与两款美国进口仪器(LI-7500RS和IRGASON)测量的水汽浓度和通量对比
HT1800开路式水汽分析仪
经济实用，易于安装和维护
适合涡动协方差对中等区域的蒸散发(ET)测量
开放式路径，测量频率高达20Hz
无其他气体分子的交叉干扰
无运动部件，稳定可靠
长寿命，适用于多种现场部署
低功率(10W)，可由太阳能电池板提供
【论文信息】
Wang K., Huang, L., Zhang, J.T., Zhen, X.J., Shi, L.L., Lin, T.J.*, Zheng X.H., Wang Y.*, 2024. Measuring turbulent water vapor fluxes using a tunable diode laser-based open-path gas analyzer. Water 16(2), 307.
