中国科学院大气物理研究所
Institute of Atmospheric Physics (IAP), Chinese Academy of Sciences (CAS)
大气边界层物理和大气化学国家重点实验室
State Key Laboratory of Atmospheric Boundary Layer Physics and Atmospheric Chemistry (LAPC)

大气边界层物理和大气化学的结合

仪器设备


(1)北京325米气象与环境观测塔

        实验室的325米气象塔是超大城市区域全天候运行的气象高塔,是中国科学院的标志性大型设备之一。该塔垂直方向有15层观测平台,可实现气象、空气质量要素全天候梯度观测,并实现自动观测数据的同步传输。自上世纪70年代末建成以来,连续不间断地对北京市边界层风、温、湿平均场结构进行观测,取得了大量宝贵资料。

        实验室持续对气象塔观测系统进行技术更新和升级改造,增加了新的观测系统。2011年4月,完成气象塔电梯的更新改造,载重量由400 kg升级为500 kg,并纳入国家强制监察范围,保证了电梯的安全运行。2012年3月,涡动通量观测系统由3层扩展到7层,新增了7层水平姿态仪同步梯度观测系统。2012年10月,15层平均场观测系统完成升级改造,数据采集传输通信端口由RS232(单端传输)升级为RS485(差分传输),提高了系统的抗干扰能力及工作稳定性;采用光电技术实现层间隔离,提高了维护的方便性;更新风速和湿度传感器,使精度得到成倍提高。2012年12月,新增了10层12台超声风速仪同步梯度观测系统。2013年4月,新增了高空照相系统,实时记录空气污染和周边环境实况。基于325米气象塔,建设了城市边界层理化结构立体探测平台,实现了地面和260米灰霾化学组分和气态污染物同步长期连续观测,以及260米内的气溶胶理化特性的垂直精细结构探测。

        在中科院大气所和北京市气象局战略合作协议框架下,气象塔的观测已纳入北京局的日常观测站网。气象塔数据应用于APEC会议的气象保障,取得良好成效。

        观测塔数据为973项目、863项目、灰霾专项、院先导专项、碳专项、基金项目等提供实验平台,进行全年不间断实时连续观测;观测平台及数据支撑了两个获奖项目:(1)院杰出科技成就奖--“沙尘暴发生发展机理及监测预测和灾害评估研究集体”;(2)国家科技进步二等奖--“大气环境综合立体监测技术研发、系统应用及设备产业化”。近五年用大塔资料发表的论文据不完全统计有80多篇。


(2)高分辨飞行时间气溶胶质谱仪HR-ToF-AMS

        高分辨率飞行时间气溶胶质谱仪是当前唯一的能够实时在线测定亚微米颗粒物化学组分(包括有机物、硫酸盐、硝酸盐、铵盐和氯化物)和粒径分布的高精密仪器。目前仪器置于LAPC公共实验室。自从2013年底到位后,该仪器充分发挥了在我国大气灰霾来源和成因机制研究中的作用。LAPC实验室先后利用HR-ToF-AMS开展了2014年春季、夏季和秋冬季综合观测,累积观测时间达到6个月(年使用率达到50%),获取了大量的致霾细颗粒物化学组分和粒径分布数据,支持了国家自然科学基金、中科院战略先导专项B和青年973等多个重要科研项目。除此之外,LAPC实验室还与中科院生态环境研究中心合作,运用HR-ToF-AMS进行烟雾箱实验,共同研究NO2和SO2共存条件下的大气灰霾形成机制。实验室还引进了AMS的精简版颗粒物化学组分在线监测仪(ACSM-120万)进行长期连续观测,从而与HR-ToF-AMS的短期强化观测互为补充,相互加强。


(3)Windcube 8 激光测风雷达

        Windcube8激光测风雷达于2010年8月购置并启用,该型雷达可测量40-400 m的三维风场,风速精度 0.2m/s,风向精度2°。与微波风廓线雷达相比,激光测风雷达具有时间分辨率高、精度高和体积小的特点。该雷达起初服务于863计划课题,项目结题之后,主要用于LAPC实验室的日常观测,此外还参加了五次外场观测实验,为LAPC承担或合作的五个国家重大项目提供准确、必要的气象保障。总共获取了910天、8.7 GB的数据、使用率为50%,获取的数据为所内和合作课题共享。


(4)稳定同位素质谱仪

        实验室购置了稳定同位素质谱仪,建立了大气环境分析实验室。美国Thermo Fisher科学仪器公司生产的MAT253气体稳定同位素质谱仪,具有高灵敏度和高线性,可通过计算机控制离子源电压和参数,可以精确测量13C/12C、15N/14N、18O/16O、和D/H等的同位素比值,是目前世界上分析精度最高、自动化程度最好的稳定同位素质谱仪。可以分析水、大气颗粒物、植物、土壤以及沉积物等各类样品中的C、N、O、H的稳定同位素组成,能够满足众多领域的科学研究需要。MAT253配备的在线测量外围设备有测定单体C、N、O、H的气相色谱仪,和测定总体C、N、O、H的动态快速燃烧和高温裂解一体化元素分析仪(Flash 2000HT)。该设备已为实验室科研工作提供了稳定同位素测试的技术支持,为中国科学院战略先导科技大气灰霾跨界输送途径与定量评估等课题提供了样品测试服务。  

        自从2014年8月启用以来,目前已完成800多个样品的C、N、H、O同位素测试。稳定同位素质谱仪服务于所内外多个课题组,面向所内外开放测试样品,目前除了本所样品外,也完成了中国科学院地质与地球物理研究所、中国科学院大学等外单位的样品测试工作,使用率70%,共享率50%。


(5)高性能计算集群

        实验室现有的高性能计算集群系统,于2012年招标采购,2013年初投入运行使用。该群配以4个登陆管理节点,6个I/O节点,76个计算节点(共1216个核,理论浮点值25万亿次),144T物理硬盘容量。


(6)大气环境烟雾箱系统建设

        大气化学模拟舱(又称烟雾箱)是研究大气反应机制的基础工具。2010年以来,在中国科学院知识创新工程方向性项目、战略先导专项、国家自然科学基金及国家重点实验室的经费支持下,实验室在原有小型烟雾箱的基础上,新搭建了一套3立方米室内光化学烟雾箱模拟系统,该系统由空气净化系统、配气系统、光源系统、反应器、采样系统、检测系统和数值模拟系统组成,如图4.5.1所示。光源系统由1000 W黑光灯组成;烟雾箱框体是由镜面不锈钢组成的长方体;反应器由反应惰性极强的Teflon薄膜构成;检测系统包括气相分析系统和颗粒物分析系统,以及用于分析颗粒物的气相色谱质谱联用仪、离子色谱、消光仪等设备;数值模拟系统主要由基于英国Leeds大学发展的MCM反应机制以及其它非均相反应机制组成,用于辅助研究生成臭氧和二次颗粒物的光化学过程。该系统主要应用于大气中存在的重要挥发性有机物(VOCs)的臭氧生成活性及二次有机气溶胶(SOA)生成机制的研究工作中,如研究不同环境因子在臭氧和SOA生成过程中的作用机制。主要研究结果有:确定不同相对湿度和不同种子颗粒物对不同源VOCs产生的SOA产率、化学组成、吸湿性和光学特性的影响机制,以及大气中非均相反应在臭氧和SOA生成的过程中的作用等。目前已发表论文12篇。实验室对外开放,目前数家研究单位已来实验室进行数据监测分析。


(7)大气环境分析实验室

        大气环境分析实验室于2014年8月建成投入使用。目前该实验室配备有稳定同位素质谱仪(MAT-253)、高分辨飞行时间气溶胶质谱仪HR-TOF-AMS、气相色谱/质谱联用仪(安捷伦7890/5975)等质谱仪设备,以及微量电子天平、纤维节能电炉、电热鼓风干燥箱、通风柜、超声波清洗器、旋转蒸馏仪等实验室常规设备,拥有的无机化学和有机化学前处理平台可以实现无机、有机等样品的分离、提纯、稀释、浓缩等操作。稳定同位素质谱仪(MAT-253)可以分析水、大气颗粒物、植物、土壤以及沉积物等各类样品中的C、N、O、H等稳定同位素组成。高分辨飞行时间气溶胶质谱仪HR- TOF-AMS能够实时在线监测大气灰霾颗粒物化学组分(包括有机物、硫酸盐、硝酸盐、铵盐和氯化物)浓度和测定有机气溶胶颗粒物组分,该仪器能够以约2分钟的分辨率测量亚微米颗粒物粒径分布、有机物、硫酸盐、硝酸盐、铵盐、氯化物以及化学物种质谱矩阵。气相色谱/质谱联用仪首先通过气相色谱柱让混合物中的组分分离,然后质谱鉴定分离出来的组分及其含量,从而得到混合物中各组分定性和定量的分析。实验室的这些设备为科研工作提供了稳定同位素测试、在线监测大气灰霾颗粒物化学组分浓度、物质化学组分定性和定量分析等技术支持,为城市污染研究、大气灰霾跨界输送途径与定量评估研究、污染源解析研究等发挥了重要的作用。大气环境分析实验室提供了样品测试服务,启用以来分析了数千份样品数据,开放给所内外多个课题组研究共享。使用率达到90%,共享率可达70%。


(8)反硝化气体及碳氮底物直接测定系统(GFSC-SMOS)

        实验室研制的反硝化过程气体及碳氮底物直接同步测定系统(GFSC-SMOS),实现了对反硝化过程速率及其产物组成比率的4小时间隔动态测量,为碳氮转化过程机理研究提供了先进测量技术手段支持。目前GFSC-SMOS耦合系统具有以下特点:(1)可实现5种气体(N2、N2O、NO、CO2和CH4)排放速率和4种碳氮底物(NO3-、NO2-、NH4+、DOC)浓度的直接同步测定,为研究反硝化过程机理提供技术支持;(2)是目前国际上测定反硝化N2排放最灵敏的系统,N2检测限为0.23 µg N h-1 kg-1 ds(或8.1 μg N m-2 h-1);(3)该方法重复测定的反硝化速率和产物组成均表现出较好的一致性,且在完全厌氧条件下测定的反硝化总气体排放量能够回收氮底物变化量的>84%,表明该方法能够很好地定量反硝化气体排放及其组成。

        该系统的创新成果已经部分发表(Liao et al., Chemosphere, 2013),并申请了两项国家发明专利,其中“一种自动测定反硝化产生气体的装置”专利已获授权,(专利号:ZL 201110441238.4),“一种同步测定土壤底物和气体排放的装置及方法”尚在审查中(受理号:201210152381.6)。虽然国内几家研究单位拥有几套同类测定系统,如Robot等,但本实验室研制的GSFC-SMOS是拥有中国自主知识产权的系统。应用该系统及其方法取得的研究成果,也已部分在国内外学术期刊发表,如Wang et al., Plant Soil, 2013;金春义等,中国农学通报,2012;冯琪等,气候与环境研究,2013;陈诺等,环境科学,2014。


(9)多种碳氮气体交换通量自动观测系统(AMEG)

        实验室成功研制适用于野外多因素控制试验的多种碳氮气体(CO2、CH4、N2O、NO)交换通量同步全自动观测系统(AMEG),并对其测定N2O通量和CO2地气净交换(NEE)通量的性能和误差进行了系统评估。AMEG系统是基于静态透明箱原理建造的全自动观测系统,系统采用气相色谱法测定N2O和CH4通量,闭路红外光谱吸收法测定NEE通量,化学发光氮氧化物分析法测定NO通量,带12个采样箱的AMEG系统可以每4小时对每个采样箱测定一次通量。与基于可调谐二极管激光光谱吸收仪(TDL)的涡动相关法(EC)相比,AMEG测定N2O通量的灵敏度要高一个数量级,当采样箱高度为90 cm时,其小时通量检测限值仅为~5.4 ug N m-2 h-1,且通量检测限值随采样箱高度降低而成比例缩小,可以满足相关研究对所有陆地生态系统各个季节N2O通量检测灵敏度的要求。而EC-TDL方法的小时通量检测限值高达37.6 ug N m-2 h-1,因此只能对较高排放条件下(如农田施肥期间)小时通量给出可靠的观测值。AMEG系统的研制成功,为地气碳氮气体交换过程、机理与模型研究提供了先进、可靠的技术手段。该系统作为重要的观测技术平台获两项国家发明专利授权,专利号分别为ZL201010162476.7和ZL200910236715.6,已被应用于中国科学院知识创新工程重要方向项目、国家自然科学基金委-芬兰科学院联合资助合作研究项目和中国科学院-芬兰科学院联合资助研究项目等的野外观测试验研究。已获取的多年全天候连续高频通量数据,支撑了实验室碳氮循环过程机理、模型验证、减排技术评估等方面的研究工作,在Atmospheric Environment、Agrculture Ecosystems & Environment、Biogeosciences、Plant and Soil和Agricultural  & Forest Meteorology等期刊上,发表研究论文十余篇。


(10)便携式双通道PM2.5膜采样器

        依托课题“环渤海地区重点产业发展战略环境评价”,设计开发了便携式双通道膜采样器,用于对环渤海地区五个重点产业区进行大气质量评估。该采样器采用了美国URG公司的旋风切割器,设计流量为16.7 L/m,自主设计了流量控制电路及单片机控制程序。该采样器体积小巧,携带方便,便于野外使用。目前该采样器仍在为很多项目服务。该产品申请国家发明专利1项(全自动降尘采集器),实用新型专利1项(皂膜流量计起膜装置)。


(11)可移动低层大气综合探测系统

        为满足野外复杂地形条件下近地面边界层和对流层大气综合探测的需要,集成了本系统。该系统由大气垂直结构探测单元和地面探测阵列构成,其中大气垂直结构探测单元由风廓线激光雷达(最大探测高度6500米,垂直分辨率50米)和GPS大气探空设备(探测范围对流层和平流层低层,垂直分辨率10~50米)组成,地面探测阵列由自动气象站和近地面通量探测系统组成。

        自2010年以来,该系统多次应用于野外科学实验,获得了大量可靠的观测资料,保障了多个科研项目的顺利完成。2010年度,在林芝完成了青藏高原重点地区能量和水分平衡观测实验,获取数据量53 GB;2011年度,在西藏阿里地区和那曲地区顺利完成了藏北大气状况调查,获得了对藏北地区大气状况和水热状况的初步认识;2012年度,在新疆塔中地区完成了塔克拉玛干沙漠近地面大气观测实验,获取数据量42 GB;2013年,在西藏林芝地区完成了藏东南地区复杂下垫面地气交换观测实验,获取数据量149 GB。2014年9月起,该系统在实验室园区和顺楼楼顶开始进行长期观测,对北京城市边界层风场垂直结构进行连续观测。该系统为973项目“全球变暖背景下东亚能量和水分循环变异及其对我国极端气候的影响”、气象行业专项“藏东南地区复杂下垫面地气交换观测研究”、中国科学院先导专项B“大气灰霾追因与控制”、院方向项目“地基多通道微波辐射计探测大气廓线的数据反演、定标与真实性检验方法研究”完成了野外观测实验;为973项目“平流层大气基本过程及其在东亚气候与天气变化中的作用”和“平流层对流层交换研究”提供了设备共享服务;为中国气象局、成都高原气象研究所、北京市气象局、中国民航等单位提供了数据共享服务。

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