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準(zhǔn)確測量溫室氣體的濃度及其在地-氣之間的交換量對于建立氣候模型和預(yù)測氣候變化等至關(guān)重要。采用非色散紅外技術(shù)的氣體分析儀被廣泛應(yīng)用于相關(guān)研究中。在一般觀測中，氣體分析儀通常安裝在一個(gè)固定的氣象觀測塔上，然而為了研究水體生態(tài)系統(tǒng)及拓展觀測覆蓋率，越來越多的觀測設(shè)備被安裝在移動的觀測平臺，比如船舶、浮標(biāo)等。觀測平臺的運(yùn)動對被測氣體濃度的影響是一項(xiàng)嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。雖然有不少經(jīng)驗(yàn)公式可用于數(shù)據(jù)校正，但由于缺乏對傳感器相關(guān)機(jī)制的深入理解，其適用性仍受限。

Miller等（2010）總結(jié)了運(yùn)動導(dǎo)致觀測誤差的潛在原因：光路彎曲、光學(xué)斬波器轉(zhuǎn)速的慣性變化、檢測器背景環(huán)境變化、紅外光源燈絲的彎曲等。紅外檢測器通常固定在一個(gè)充滿惰性氣體的密封腔室內(nèi)，為提升氣體濃度的測量精度，傳感器元器件被冷卻至-40℃。熱力分層導(dǎo)致氣體密度出現(xiàn)梯度，并在重力場的存在下形成對流。在本研究中，我們假設(shè)受重力驅(qū)動的自由對流引起檢測器溫度的變化，檢測器溫度變化則導(dǎo)致了運(yùn)動相關(guān)的測量偏差。因此當(dāng)檢測器方向變化時(shí)，其重力場也會發(fā)生相應(yīng)變化，導(dǎo)致腔室內(nèi)出現(xiàn)不同的氣體循環(huán)模式

氣體分析儀空間位置的變化導(dǎo)致其腔室內(nèi)溫度分布的差異

方法

為了驗(yàn)證假設(shè)，Campbell Scientific研發(fā)了一個(gè)閉路式紅外氣體分析儀（EC155P），其檢測器位于真空環(huán)境壓力，腔室內(nèi)部氣壓小于2E^-9托爾。不僅可以防止重力相關(guān)的對流循環(huán)出現(xiàn)，還最大限度地減少對流熱交換，從而實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的溫度控制，消除溫度分布對檢測器方位的依賴。同時(shí)還使用了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)EC155檢測器作為對比參照。兩臺設(shè)備固定在在一個(gè)20 x 12 x 6 m浮標(biāo)上，使用系在浮標(biāo)頂部欄桿上的繩索控制其運(yùn)動，用來測試和描述儀器對運(yùn)動的敏感性。

為對比EC155和EC155P的性能，我們建立了一個(gè)運(yùn)動誘導(dǎo)誤差（MIE）指標(biāo)，即運(yùn)動狀況下和靜止?fàn)顩r下測量CO₂的比值。當(dāng)MIE=1時(shí)，表示測量結(jié)果與運(yùn)動沒有相關(guān)性。

結(jié)論

與傳統(tǒng)氣體分析儀（氣體分析儀腔室為惰性填充氣體）相比，EC155P（氣體分析儀腔室為真空環(huán)境）可將平臺運(yùn)動導(dǎo)致的CO₂測量誤差降低3.6至10.4倍，且CO₂的測量誤差不隨著平臺運(yùn)動振幅的增加而增加。

平臺運(yùn)動對氣體分析儀測量結(jié)果的影響