Continuous measurement of CO and CO2 flux by Relaxed Eddy Accumulation method

近數十年來，人為石化產物的大產開發及使用，使有大量的溫室氣體過量排放於大氣之中，導致目前地球氣候產生異常現象。在過去由於氣候變化並不明顯，故總不為人們所重視，但近幾年間，不正常之氣候已危害到人類正常的生活，此溫室議題才一一的被重視。而目前國際間以渦流協變性系統 (ECS)相關方法進行通量觀測，且已組成全球性組織－通量觀測網 (Fluxnet)，以進行長期和連續量測陸地生態系統與大氣氣體與能量的交換行為。 過去通量通常都被用來量測可感熱、水氣及CO2等方面，在其它溫室氣體方面相對則較少，主要原因為氣體監測儀器無法達到高頻率量測濃度值而無法應用，實為可惜。然而，為解決此問題，本研究則嘗試透過自行設計採樣系統之連續式隨意渦流累積法 (REA)量測CO、CO2之通量值，此法僅需透過低頻率之分析儀器即可量測氣體通量。REA 法觀測CO2 為應用屬於封閉型氣體分析儀器 (close path)，當有降雨時，仍然可得完整之資料，從中克服了在過去利用開放式 (open path) ECS量測CO2 時會發生資料不全之情形。 本實驗在經由一系列案例研究後，得知欲以REA法觀測通量時，建議先選擇欲觀測物質通量日夜變化明顯之場址，可確保通量趨勢之顯著性，從案例研究一、二之REA法與開放式ECS法觀測CO2通量相較下，相關係數自未達 0.01提升至 0.13。 其次是若欲應用REA法觀量通量時，若加入適當之閥門開關區間值後可得較準確之通量，以本研究中之案例二、三為例，加入區間值後REA法與開放式ECS所量測之CO2 通量相關性自0.13提高至0.38。 最後則是在採樣系統的改變上，本實驗從案例研究一至案例研究三之REA法皆使用單一採樣幫浦，至案例研究四方使用兩顆採樣幫浦分別採集平均垂直風速向上及向下管線之氣體，最終求得之CO2通量與ECS量測結果相關係數已達0.52，表示以REA法觀測通量是可行的，而同時依此結果判定REA求得之通量有一定之可信度下，同步以CO分析儀求出其具準確度之通量值。摘要 .................................................................................... I Abstract .......................................................................... III 目錄 ................................................................................... V 表目錄 ............................................................................. IX 圖目錄 ............................................................................... X 第一章前言 ...................................................................... 1 1.1 研究緣起 .......................................................................... 1 1.2 背景說明 ........................................................................ 4 1.2.1 大氣邊界層的分類與特徵 ................................................. 4 1.2.2 地表粗糙層 (Surface Roughness Layer) ........................... 6 1.3 研究目的 ........................................................................ 8 第二章文獻回顧 ............................................................ 10 2.1 通量觀測法及觀測位址特性介紹 ................................ 10 2.2 大氣微量氣體之擴散現象 ........................................... 12 2.3 通量觀測法比較 ............................................................ 16 2.3.1 梯度量測法 (Gradient Method)....................................... 16 2.3.2 渦流協變性系統 (Eddy Covariance System) .................. 17 2.3.3 渦流累積法 (Eddy Accumulation, EA) ........................... 22 第三章研究理論與實驗方法 ........................................ 25 3.1 隨意渦流累積法應用原理 (Relaxed Eddy Accumulation method, REA) ............................................... 25 3.1.1 隨意渦流累積法經驗係數β 值之決定........................... 27 3.1.2 閥門開關區間0 w (Valve switching threshold; deadband) ..................................................................................................... 28 3.1.3 改良後之上游式隨意渦流累積法 (Upstream style REA) ..................................................................................................... 30 3.2 渦流協變性系統衍生應用於隨意渦流累積法 ........... 32 3.2.1 渦流協變性系統通量觀測之誤差 ................................... 32 3.2.1.1 垂直平均風速不為零 (Non-zero mean vertical velocity)............................................................................... 32 3.2.2 相關校正原理之探討與必要性說明 ............................... 33 3.2.2.1 針對垂直風向之校正 ............................................ 34 3.2.3 渦流協變性系統求通量之原理及衍生應用 ................. 36 3.2.3.1 針對建築物等影響紊流於垂直風向之探討 ....... 36 3.2.3.2 針對建築物等影響紊流於垂直風向之校正 ....... 37 3.2.3.3 紊流於垂直風向之校正之可行性評估 ............... 38 3.3 實驗設備 ....................................................................... 42 3.3.1 渦流協變性系統儀器 (Eddy Covariance System, ECS) . 42 3.3.1.1 高速反應系統 (High Response Subsystem) ........ 43 3.3.1.2 低速反應系統 (Low Response Subsystem) ......... 47 3.3.2 隨意渦流累積法設備與儀器 (Relaxed Eddy Accumulation, REA) ................................................................... 48 3.3.2.1 採樣控制儀器 ........................................................ 48 3.3.2.2 採樣設施 ................................................................ 50 3.3.2.3 氣體分析儀器 ........................................................ 53 3.4 隨意渦流累積法實驗方法 ........................................... 56 3.4.1 實驗方法與流程 ............................................................. 56 3.4.2 電磁閥與幫浦開關控制及使用方法 ............................. 61 3.4.3 採樣數據分析方法 ......................................................... 65 第四章案例研究 ............................................................ 67 4.1 案例一 : 於興大環工所進行初步研究 ...................... 67 4.1.1 實驗場址及背景介紹 ....................................................... 67 4.1.2 案例一實驗方法及氣象資料分析 ................................... 71 4.1.3 案例研究一之二氧化碳通量觀測結果 ........................... 74 4.1.4 案例研究一 ECS 與 REA 二氧化碳通量觀測結果討論 ..................................................................................................... 78 4.2 案例二 : 於霧峰農試所進行初步研究 ...................... 82 4.2.1 實驗場址及背景介紹 ....................................................... 82 4.2.2 案例二實驗方法及氣象資料分析 ................................... 89 4.2.3 案例研究二之二氧化碳通量觀測結果 ........................... 91 4.2.4 案例研究二 ECS 與 REA 二氧化碳通量觀測結果討論 ..................................................................................................... 96 4.3 案例三 : 於霧峰農試所進行進一步研究 ................ 100 4.3.1 實驗場址及背景介紹 ..................................................... 100 4.3.2 案例三實驗方法及氣象資料分析 ................................. 101 4.3.2.1 案例三實驗方法 .................................................. 101 4.3.2.2 案例三氣象資料分析 .......................................... 105 4.3.3 案例研究三之二氧化碳通量觀測結果 ......................... 107 4.3.4 案例研究三 ECS 與REA 二氧化碳通量觀測結果討論 ................................................................................................... 112 4.4 案例四 : 於霧峰農試所進行最終研究 .................... 117 4.4.1 實驗場址及背景介紹 ..................................................... 117 4.4.2 案例四實驗方法及氣象資料分析 ................................. 118 4.4.2.1 案例四實驗方法 .................................................. 118 4.4.2.2 案例四氣象資料分析 .......................................... 123 4.4.3 案例研究四之二氧化碳通量觀測結果 ......................... 125 4.4.4 案例研究四 ECS 與 REA 二氧化碳通量觀測結果討論 ................................................................................................... 129 4.4.5 以隨意渦流累積法嘗試量測一氧化碳通量 ................. 135 第五章結論與建議 ...................................................... 139 5.1 結論 ............................................................................ 139 5.1.1 實驗地點之選擇 ............................................................. 139 5.1.2 閥門開關區間值設定之必要性 ..................................... 140 5.1.3 設置兩顆採樣幫浦之重要性 ......................................... 140 5.1.4 利用隨意渦流累積法量測其它物質通量之可行性 .... 141 5.2 建議 ............................................................................ 143 第六章參考文獻 .......................................................... 144 附錄 A : REA 採樣設計圖 .......................................... 147 附錄 B : REA 採樣程式 .............................................. 15