蒸散发是地球系统水分和能量循环的重要环节，原位准确测量地表蒸散发/水汽通量并量化其特征机理，对于研究区域水热循环对气候变化的响应以及水资源合理利用至关重要。近二十年来，国内外的生态系统观测研究网络（如FLUXNET、ChinaFLUX、ICOS）已开展大量关于地表水汽通量的长期定位观测研究，它们大都采用涡动相关法作为主要观测手段，该技术的发展主要依赖快速响应的水汽浓度传感器。当前，两家美国公司（LI-COR和Campbell）提供的开路水汽分析仪主导了这一领域的观测仪器。
为满足自身研究需要，同时发展国产自主仪器，中国科学院大气物理研究所王凯所在的研究团队，联合宁波诺丁汉大学、宁波海尔欣光电科技有限公司等单位，研发了一款高精度快响应的开路激光水汽分析仪（型号：HT1800）。该仪器基于可调谐激光吸收光谱（TDLAS）技术，采用近红外波段（1392 nm）的激光源和开放式的测量光路，实现大气水汽浓度的高频（10 Hz）连续测定，以最小扰动捕捉水汽的湍流脉动变化，进而基于涡动相关原理直接获得地表与大气间的水汽交换通量。
研究团队采用这款自主仪器，与两款同类型最先进美国仪器（LI-COR公司的开路LI-7500RS分析仪和Campbell公司的开路IRGASON分析仪）开展野外比对试验和性能评价（图1）。试验结果表明，三款分析仪测量的水汽浓度具有很好的一致性，HT1800、LI-7500RS和IRGASON所测浓度的漂移量分别为3.7~5.2%、4.0%和3.8%。与此同时，HT1800测量的半小时平均水汽通量与两款进口仪器的测量结果高度一致，差异仅为-0.2%~1.6%（图2），表明HT1800分析仪可以有效地测定地表水汽通量。此外，这款仪器在野外运行的稳定性、数据有效率、通量检测限和高频湍流响应等方面，均满足涡动相关通量观测的要求。
研究团队还提出了水汽谱线加宽导致水汽通量误差的一种矫正方案，该误差源于近红外吸收谱线峰面积对温度、气压等环境要素变化的响应。发现HT1800采用的1392 nm激光器在常规环境条件下易受谱线加宽效应的干扰，导致水汽通量的系统误差，但经过上述方案矫正后，与对标仪器的通量差异仅为2%。激光源是这款水汽分析仪的核心部件，考虑到1392 nm波段近红外激光较低的成本价格，以及仪器在关键性能指标上的表现，仪器实现量产后将具有竞争优势，可为地表蒸散发的高频测量和其他痕量气体通量的水汽干扰效应矫正提供一种经济且有效的自主解决方案。
图1 自研仪器（HT1800）与两款美国进口仪器（LI-7500RS和IRGASON）野外对比观测
图2 自研仪器（HT1800）与两款美国进口仪器（LI-7500RS和IRGASON）测量的水汽通量和浓度漂移量
上述研究工作得到国家重点研发计划项目（2023YFC3705300）、河北省重点研发计划项目（22373903D）、国家自然科学基金项目（41975169）和江苏省农业科技自主创新项目（CX(22)3005）的共同资助。
文章引用：Wang K., Huang, L., Zhang, J.T., Zhen, X.J., Shi, L.L., Lin, T.J.*, Zheng X.H., Wang Y.*, 2024. Measuring turbulent water vapor fluxes using a tunable diode laser-based open-path gas analyzer. Water 16(2), 307.
