Picarro | 监测南极地区水蒸汽、降水和积雪表面的同位素组成（δ18O、δD）

在Picarro公司，我们乐于听到研究小组如何将我们的系统运用到他们的项目中。来自圣彼德堡北极与南极研究所(AARI)的安娜·科萨切克(Anna Kozachek)撰写了一篇短文，其中讲述了她的团队如何在南极环航探险 (ACE) 项目中使用Picarro L2130-i和L2120-i的详情。

南极环航探险(ACE)由萌睿基金会(ACE Foundation)、瑞士极地研究所(SPI)和俄罗斯圣彼得堡的北极与南极研究所(AARI)共同组织发起。

探险队一起登上俄罗斯特列什尼科夫院士(Akademik Tryoshnikov)号考察船。

探险队此行的主要目的是环航南极洲，沿着环航路线进行海洋观测和气象观测，同时对亚南极洲和南极诸岛进行陆地观测。探险队从开普敦(Cape Town)出发，将于92天后返航。

详细路线图

此次探险活动承载着来自七个不同国家和地区的55名科学家着手进行的22个项目。这个名为“亚南极岛屿生态系统的演变及其现状”的 AARI 项目涉及了若干项研究课题，包括湖泊沉积物取样、岛上土壤取样、过去海平面变化的地貌观测、大气中悬浮微粒的测量和大气水蒸汽的同位素组成。

我们的实验室，即AARI的气候与环境研究实验室，此行的主要考察任务是研究冰芯数据中的古气候。在过去几个世纪，南极洲长期缺少气象站，人们记录高频气候变化的唯 一途径就是测量南极洲不同位置处浅冰芯中的水稳定同位素组成。然而，水稳定同位素的记录数据却不能直接转化为温度等气候参数。事实上，即使南极洲积雪的同位素组成（δ18O 或 δD）与降水的温度紧密相关，也会受到南极洲不同地区沉积气团的来源和运动轨迹的强烈影响。因此，在气团登陆之前，必须限定南极洲周围海域水团中水蒸汽的同位素组成。有了用来了解气候系统的重要数据，人们在格陵兰(Greenland)地区开展了类似的研究(Steen-Larsen et al.Clim.Past, 10, 377–392, 2014)。

为了对水蒸汽分析做相应补充，我们还计划研究岛屿冰川上的积雪、粒雪和冰层同位素组成，还会研究冰川上的雪坑和浅冰芯。为了获得有关同位素组成年际变化的信息，我们会根据每个岛屿上的雪积累率来选取采样分辨率。

测量设置

为了测量水蒸汽同位素组成，我们采用了 Picarro 仪器和仪表。特列什尼科夫院士Akademik Tryoshnikov考察船会返航到德国不来梅哈芬市 (Bremerhaven)。我们从考察船在该市的起航点开始测量，即包括大西洋断面以及 ACE 项目之旅的相关内容。在从不来梅哈芬到霍巴特 (Hobart) 的途中，我们只使用了一台仪器，即AARI 的Picarro L2120-i，外加由哥本哈根大学提供的、在Steen-Larsen et al., Atmos.Chem.Phys., 14, 7741–7756, 2014中所述的校准装置。从霍巴特到开普敦的第二站，我们还使用了我们的 Picarro L2130-i和 Picarro SDM。

安装详情

这使我们能够善加利用考察船不同侧面的两个进气口，并避免因校准而产生的测量误差；尽管如此，我们仍多次使用了来自自制校准设备产生的相同蒸气同时对仪器进行校准。

我们使用了位于考察船主甲板上的两个进气口，即海平面以上约10米。这两个进气口分别位于考察船的右舷和左舷。我们对进气口使用了直径为¼”的铜管。将铜管加热至50°C以免内部蒸气发生凝结。我们还使用了额外的泵来加快从外部向分析仪输送空气的速度。

测量结果

将所得数据与沿路线的天气观测资料（气温、相对湿度、风速和风向）以及气团运动轨迹数据一起进行分析。在这里，我们可以得出初步结果。在大西洋上空，水蒸汽的同位素组成会随气候带的变化而有所不同；而在南极海域上空，这个参数的变化幅度则在很大程度上取决于当地的气象状况。

我们总共获得了约1000万个数据点。作为该数据集的一个示例，我们展示了沿着从南极洲到彭塔阿雷纳斯(Punta Arenas)的途中水蒸汽的同位素组成。

如图所示，Picarro L2130-i 相比 L2120-i更加精确，而在比较氘过量(d-excess)图时也更加明显。此外，当大气湿度远低于仪器的灵敏度区间时，Picarro L2130-i的性能会优于 L2120-i。

两台校准设备用来校准 Picarro 分析仪、Picarro SDM 和自制系统。在航行途中，我们发现这些设备各有利弊。首先，也是最重要的一点，Picarro SDM 较之自制设备具有更佳的用户友好性。然而，软件则禁止在大于 24000 ppm 的湿度水平下对仪器进行校准，这一数值远低于赤道处的湿度（编者注：我认为它实际上是 30,000 ppm，同时我承认你们的和其他的海洋船舶研究已经将δ18O或δD绘制超过 40,000 ppm H2O – ig）。另一点是使用自制设备同时校准多台仪器的可能性，而这则是使用 SDM 无法实现的。

最 后，我们想提的是：在探险期间，所有的 Picarro 设备都能完 美运行，以便我们能够完成各种测量程序。

Picarro设备为我们提供了各种工具，这些工具支持我们为表征气候随着时间推移而发生变化所实施的实地研究和实验室研究工作。冰芯数据在格陵兰延续了近123,000年，而在南极洲则延续了800,000年。为了从这些丰富的记录中开发出更加完整的气候模型，需要获得从海洋观测和陆地观测资料中收集的水蒸汽和表层冰研究的额外数据。

扬尘报警自动监测系统的组成：

CO2和CH4排放增加是全 球变暖的主要原因（IPCC，2013），人类活动导致大约44%和60%的CO2和CH4排放到大气中。人类活动如拦河筑坝干扰湿地的结构和功能，引发大量土壤CO2和CH4排放。然而，目前对湿地水库CO2和CH4排放及其碳同位素特征的影响机制知之甚少。

基于此，为了填补研究空白，在本研究中，来自云南大学和中科院武汉植物园的研究团队在三峡消落区原位条件下调查了4个海拔梯度（即不同淹水状态）（>175 m，160–175 m，145–160 m和＜147 m）饱和和排干状态下CO2和CH4排放模式及其碳同位素特征，以及相关的控制因子。他们作出了如下假设：1）由于淹水下优势植物种的转变，土壤条件（例如土壤基质质量，土壤水分和温度）的变化将会改变CO2排放以及CO2的δ13C值；2）CH4排放模式及其同位素特征对淹水更敏感，反映了土壤厌氧环境的增加；3）不同淹水状态下（例如饱和和排干状态下）将会导致酶表达和微生物属性的改变，进而极大影响CO2和CH4排放。

图1 重庆忠县研究区位置（a）；三峡消落区采样地卫星图像及沿海拔梯度详细的静态通量室放置图（b）。

作者于2017年6-8月测量了土壤/水大气界面CO2和CH4的交换率。利用ABB LGR CO2同位素分析仪分析CO2的浓度及δ13C，并利用ABB LGR甲烷碳同位素分析仪分析CH4的浓度及δ13C。

【结果】高海拔地区CO2排放明显较高，饱和状态和排干状态之间差异显著。相比之下，在整个观测期，高海拔地区（41.97 μg CH4 m-2 h-1）平均CH4排放量高于低海拔地区（22.73 μg CH4 m-2 h-1）。从饱和状态到排干状态，低海拔CH4排放降低了90%，在高海拔增加了153%。与低海拔和高地相比，高海拔CH4的δ13C更富集，饱和状态比排干状态更贫化。作者发现土壤CO2和CH4排放与土壤基质质量（例如，C:N）和酶活性密切相关，而CO2和CH4的δ13C值分别主要与根呼吸和产甲烷细菌活性有关。具体而言，饱和和排干状态对土壤CO2和CH4排放的影响强于水库海拔的影响，从而为评估人类活动对碳中和的影响提供了重要依据。

不同海拔下土壤CO2排放的周平均值以及整个非淹水期土壤CO2排放量。

不同海拔下CH4排放的周平均值以及整个非淹水期土壤CH4排放量。

土壤饱和和排干状态下不同海拔CO2（a）和CH4平均排放量（b）。

【结论】三峡水库消落区土壤CO2和CH4排放及其碳同位素特征的变化受周期性淹水的强烈影响，可以确定其CO2和CH4的源/汇强度。与高地相比，消落区土壤环境适宜，酶活性较高，土壤基质质量较低，因此CO2排放量较高。土壤呼吸CO2的δ13C值进一步证实了，基质质量和酶活性变化是CO2排放的主要贡献者。随着高地CH4吸收，消落区CH4累积排放量从低海拔到高海拔地区增加。基于CH4的δ13C值，作者得到的初步结论是饱和状态下较高的CH4排放以较强的厌氧环境中乙酸盐裂解过程为特征。因此，结果强调了拦河筑坝引发了周期性淹水，导致土壤质量、酶表达和微生物利用C的策略，以及甲烷氧化过程的转变，潜在的改变了CO2和CH4排放及其碳同位素特征。

一、污染源在线监测建立目的：

污染源在线监测建设旨在通过对ZD污染源排放状态的自动监控，及时、准确、全面地反映环境质量现状及发展趋势，为环境管理、污染源控制、环境规划、环境评价提供客观的科学依据，增强企业的守法自觉性，提高环保现场监察的现代化水平，逐步达到提高环境质量的目的。

二、污染源在线监测的内容：

污染源排放在线监测内容包括：烟尘（烟尘、SO2、NOx）、污水（COD、流量、TOC、总磷、氨氮）、空气质量、噪声污染等；能实时采集在线监测仪检测的污染物排放数据，超标后能自动报警。

治污设备运行状态监测：实时监测现场仪表运行状态、治污设备启停状态等。能自动监测在线监测仪、自动采样器等现场仪表、设备的运行状态（运行、停止或故障等）。

  三、污染源在线监测系统组成：

污染源自动监控系统由污染源现场监控站点系统、数据传输系统、污染源监控ZX、污染源在线远程监管系统等组成。采用了计算机、通讯和自动化领域较新的产品和技术，从而构建新一代的污染源在线自动监控（监测）系统。

一、污染源在线监测建立目的：

污染源在线监测建设旨在通过对ZD污染源排放状态的自动监控，及时、准确、全面地反映环境质量现状及发展趋势，为环境管理、污染源控制、环境规划、环境评价提供客观的科学依据，增强企业的守法自觉性，提高环保现场监察的现代化水平，逐步达到提高环境质量的zui终目的。

二、污染源在线监测的内容：

污染源排放在线监测内容包括：烟尘（烟尘、SO2、NOx）、污水（COD、流量、TOC、总磷、氨氮）、空气质量、噪声污染等；能实时采集在线监测仪检测的污染物排放数据，超标后能自动报警。

治污设备运行状态监测：实时监测现场仪表运行状态、治污设备启停状态等。能自动监测在线监测仪、自动采样器等现场仪表、设备的运行状态（运行、停止或故障等）。

  三、污染源在线监测系统组成：

污染源自动监控系统由污染源现场监控站点系统、数据传输系统、污染源监控ZX、污染源在线远程监管系统等组成。采用了计算机、通讯和自动化领域的产品和技术，从而构建新一代的污染源在线自动监控（监测）系统。

长期以来，对于工地扬尘带来的空气质量监管方面，由于不能得到实时的监测数据，或者收到举报无法得到与事实相对应的直接数据，一直是令监管部门十分困扰的事情。

扬尘在线监测系统是一个物联网系统，主要由感知层（现场端在线监测设备）、传输层（专用传输网络）、应用层（监控ZX）三个部分组成。

1、感知层：污染源在线监测仪，包括颗粒物浓度监测仪、气象五参数监测仪、噪声监测仪和视频监控摄像机，对颗粒物浓度、气象参数、噪声和现场视频进行连续自动在线监测；

2、传输层：采用有线、无线、3G等方式传输各种监测数据；

3、应用层：面向不同环保局、建筑工地的客户端系统，实现基于Web的污染源实时数据在线监测，现场图像和视频的监控，污染源超标报警，以及面向不同管理层的各种管理与统计分析。

BCNX-RD系列扬尘在线监测仪

简介：

BCNX-RD系列扬尘在线监测仪是集成PM2.5、PM10、温度、湿度、气压、光照、风速、风向、噪音等环境监测因素、数据采集传输、视频监控管理及信息技术平台为一体的开放式扬尘在线监测终端设备，其内部配置7寸液晶显示屏，可查看实时数据及系统操作配置、更换程序、升级系统；视频监控可实现视频叠加、超标抓拍等功能；整体可扩展太阳能供电等功能。主要应用于道路扬尘、施工工地、沙石场、堆煤场、秸秆焚烧等无组织扬尘污染排放及居民区、商业区、工业区等的环境空气质量在线实时监测。

参数：

原理：激光散射法

范围：0-1000ug/m3、0-2000ug/m3、0-10mg/m3、0-20mg/m3（可选配）

材质：高碳钢喷涂、防风、防雨、防雷、散热、保温箱体、配置金属气体采样头

特点：

1. 采用激光散射法测量扬尘颗粒物，响应速度快、量程范围宽

2. 实时在线监测，具有自动监控及报警功能、也可联动雾炮、喷淋系统，当PM值达到设定上限时自动启动一处或多处（雾炮）喷淋系统的开启，对现场环境进行雾化喷淋降尘措施，当PM值达到设定下限值时自动关闭喷淋系统

3. 系统由智能监控器自动控制、操作便捷、节省人工

4. 具有运行系统功能，可保证设备在正常情况下安全连续运行，具有“互联网+建筑扬尘治理”管理平台，可采用无线、专网等传输数据，为用户提供实时、有效的扬尘治理数据

扬尘在线监测系统主要由：扬尘监测单元、噪声监测单元、气象监测单元、数据采集处理单元、LED屏显示单元、太阳能供电单元、数据展示平台组成。

1、

扬尘监测单元：由PM2.5传感器、PM10传感器组成。（可拓展其他）

通过传感器对扬尘进行连续自动监测，扬尘每分钟采集一次数据，并实时上传至服务器供后台程序统计和分析。

2、

噪声监测单元：由噪声传感器组成

全天候户外噪声采集传感单元，对传感器的户外监测安全和数据准确性提供可靠保障；

3、