使用LI-7810和LI-7815进行长期大气背景CH₄和CO₂浓度监测

引言

连续监测大气背景CH₄和CO₂浓度要求仪器满足准确度、精度和稳定性的严格要求。此外，仪器是坚固耐用且维护量小，因为仪器需要每天24小时，全年365天运行。LI-COR LI-7810 CH₄/CO₂/H₂O和LI-7815 CO₂/H₂O痕量气体分析仪就是针对这种应用而设计的。

在区域和全球范围内对包括CH₄和CO₂在内的各种大气温室气体进行长期背景浓度监测，并在精心选择的地点部署测量网络。部署在测量网络站点的仪器性能需求是由监督数据收集和报告的组织指定。在全球范围内，主要温室气体背景浓度监测由世界气象组织全球大气监测网(WMO GAW)组织实施的，而在欧洲一级，监测包括大气在内的生态系统健康相关设施由欧洲综合碳观测系统(ICOS)统一组织实施。

无论是用于CH₄测量的LI-7810还是用于CO₂测量的LI-7815都经过第三方独立机构实施的测量稳定性、漂移和精度等方面的评估。两台仪器是由巴黎气候与环境科学实验室(LSCE)的ICOS大气专题中心(ATC)进行评估，测试两台仪器在精度、漂移、压力稳定性、水气校正和其他几个关键参数方面的表现。此外，美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校的斯克里普斯海洋研究所(Scripps Institution of Oceanography, University of California)的大气研究人员也完成了一系列实验，参考第20届WMO/IAEA关于CO₂、其他温室气体和相关测量技术会议(GGMT-2019)报告中详细说明的WMO GAW实验室间测量兼容性目标，评估两台仪器在大气本底测量方面的性能表现。Scripps研究人员得出结论：“这些实验证实了LI-7810和LI-7815分别适用于大气甲烷和二氧化碳的长期测量”。

“这些实验证实了LI-7810和LI-7815分别适用于大气甲烷和二氧化碳的长期测量”

在这些成功的独立测试的基础上，将LI-7810和LI-7815部署在爱尔兰戈尔韦郡卡尔纳的梅斯黑德(Mace Head)大气研究站进行了为期六个月的连续运行。两台仪器与固定部署在研究站中的CH₄/CO₂/H₂O分析仪并行运行，分析仪数据直接汇报给ICOS和WMO GAW网络。本摘要描述LI-7810和LI-7815痕量气体分析仪在梅斯黑德的部署，包括安装、数据处理、校准策略和测量结果，并在结论中表明，这两台仪器与适当的校准策略结合使用，满足ICOS和WMO GAW网络的数据收集和提交的仪器性能要求。

安装

Mace Head大气研究站在高塔顶部设置采集大气的进气口，而后将气体送至塔底建筑物中的几台气体分析仪(图1A)。LI-7810和LI-7815连续测量大气样品并定期使用高压气瓶中的标气进行标定。借助VICI Valco多路旋转阀实现样品和标气之间的切换(图1C)。 GCWerks软件控制仪器数据采集和多路阀端口切换，并且软件中包含专门为LI-COR痕量气体分析仪设计的标准程序。

结论

6个月(从2020年7月到2021年1月)校正后的环境CH₄数据显示LI-7810与其他仪器性能表现一致(图2)。连续运行期间由于现场维护和其他与仪器操作/性能无关的问题，导致测量暂时中断，从数据中也能明显看出。

分析CO₂测量数据时，LI-7815也观察到同样强大的性能表现。对于测量的CH₄，系统除水后(ICOS站点要求) 两台仪器测量差异约为1 ppb(约为全量程的0.05%，典型背景CH₄浓度约为2000 ppb)，若系统未除水，水浓度的变化可能导致二者差异增加到约4 ppb(约为全量程的0.2%，典型背景CH4浓度约为2000 ppb)。对于测量的CO₂，两台仪器测量差异在0.1 ppm左右(约为全量程的0.025%，典型背景CO₂浓度约为400 ppm)。无论采用何种除水方式，包括完全不除水，都观察到~0.1 ppm的差异。

结论

ICOS ATC和Scripps的独立测试为使用LI-7810和LI-7815进行大气CH₄和CO₂的长期本底观测迈出了第一步。两个机构的测试时间均较短，最长约为六周。在梅斯黑德的长期测试显示，两个设备在数据稳定性、可比性、以及连续监测应用的可靠性和便利性方面为我们提供了强大的信心。 这项研究的结果再次证实早期独立测试得出的这两台仪器适用于长期部署的结论。

从实际角度来看，这次部署展示如何将LI-7810 CH₄/CO₂/H₂O和LI-7815 CO₂/H₂O痕量气体分析仪安装到现有的采样和观测网络中，对现有系统的气体采样或数据处理硬件几乎没有影响，并且GCWerks兼容数据收集和气路切换。

在这个应用中，LI-7810 CH₄/CO₂/H₂O和LI-7815 CO₂/H₂O痕量气体分析仪展示出与WMO GAW和ICOS要求的大气本底观测仪器的兼容性，及与不同校准标准和协议结合使用的能力。

在梅斯黑德部署期间负责监督的Damien Martin表示：“在仪器部署期间两台仪器的测量数据均证明，在适当的校准标准、协议以及标准水气去除的情况下，两台仪器均能满足WMO GAW大气本底监测网络的实验室间测量兼容性要求。”

‘在仪器部署的期间两台仪器的测量数据均证明，在适当的校准标准、协议以及标准水气去除的情况下，两台仪器均能满足WMO GAW大气本底监测网络的实验室间测量兼容性要求。’

致谢

• Damien Martin, National University of Ireland, Galway, Ireland
• Gerard Spain, Mace Head Research Station, Galway, Ireland
• Dickon Young, University of Bristol, UK
• Michael Geever, National University of Ireland, Galway, Ireland
• Peter Salameh, Scripps Institution of Oceanography, La Jolla, CA, USA
• Simon O’Doherty, University of Bristol, UK