準(zhǔn)確、連續(xù)地獲取生態(tài)系統(tǒng)尺度甲烷交換通量，是理解甲烷循環(huán)和評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體收支的重要基礎(chǔ)。近年來(lái)，渦度相關(guān)（Eddy Covariance, EC）技術(shù)憑借其連續(xù)觀測(cè)、大尺度代表性和非擾動(dòng)測(cè)量等優(yōu)勢(shì)，已成為濕地、農(nóng)田、森林等生態(tài)系統(tǒng)甲烷通量研究的重要技術(shù)手段。

然而，對(duì)于開路甲烷EC觀測(cè)而言，如何進(jìn)一步提高長(zhǎng)期測(cè)量穩(wěn)定性，降低環(huán)境因素引入的不確定性，仍是該領(lǐng)域持續(xù)關(guān)注的問(wèn)題。

近期，海爾欣聯(lián)合發(fā)表于《npj Climate and Atmospheric Science》的研究“Towards correction free open-path eddy covariance flux measurements for methane”提出了新的開路甲烷通量測(cè)量方法，為解決這一問(wèn)題提供了新的技術(shù)路徑。

本研究圍繞開路甲烷測(cè)量中的環(huán)境影響和后處理校正問(wèn)題展開，通過(guò)優(yōu)化儀器測(cè)量機(jī)制，降低方法對(duì)校正過(guò)程的依賴，實(shí)現(xiàn)更加直接、穩(wěn)定的甲烷EC通量觀測(cè)。

一、開路甲烷EC測(cè)量中的校正挑戰(zhàn)

由于測(cè)量路徑直接暴露于環(huán)境中，溫度、水汽以及空氣密度變化會(huì)影響傳統(tǒng)開路甲烷氣體分析儀輸出的氣體濃度信號(hào)。在傳統(tǒng)開路EC數(shù)據(jù)處理中，通常需要通過(guò)密度校正和光譜校正等方式，對(duì)環(huán)境變化造成的影響進(jìn)行修正。

這些方法已經(jīng)支撐了大量長(zhǎng)期生態(tài)觀測(cè)工作，但在低背景通量條件下，較大的校正項(xiàng)可能增加數(shù)據(jù)處理復(fù)雜度，并引入額外的不確定性。

因此，如何從測(cè)量過(guò)程本身降低環(huán)境影響，而不是依賴后期大幅度校正，成為開路甲烷EC技術(shù)發(fā)展的重要方向。

二、從“后處理修正”到“測(cè)量過(guò)程優(yōu)化”

針對(duì)上述問(wèn)題，我們提出了一種新的測(cè)量方法。該方法的核心思想是：

通過(guò)優(yōu)化測(cè)量機(jī)制，使甲烷濃度變化在獲取階段就盡可能減少環(huán)境因素干擾。

研究基于HT8600P大氣甲烷/水汽激光開路分析儀（下文簡(jiǎn)稱“8600P”），采用中紅外激光光譜技術(shù)，提出了一種偽干混合比（χ?）法。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)方法通常是：

l                      測(cè)量甲烷濃度變化 → 計(jì)算原始通量 → 根據(jù)溫度、水汽等因素進(jìn)行校正

而新的方法則嘗試：

l                      同一光路同步測(cè)量CH?和H?O → 逐點(diǎn)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)密度-混合比轉(zhuǎn)換 → 降低校正需求

這一思路改變了傳統(tǒng)開路EC中“依賴校正補(bǔ)償誤差”的方式，使測(cè)量結(jié)果更加接近直接獲取真實(shí)氣體交換信號(hào)。

三、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：降低環(huán)境影響，提高通量可靠性

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)零通量實(shí)驗(yàn)和實(shí)際環(huán)境觀測(cè)，對(duì)HT8600P及χ?方法進(jìn)行了系統(tǒng)驗(yàn)證。

在零甲烷通量背景實(shí)驗(yàn)中，研究結(jié)果顯示：

·       HT8600P所需凈校正量約為傳統(tǒng)商用方案（儀器+方法）的1/10；

·       χ?方法通過(guò)在信號(hào)層面降低密度和光譜效應(yīng)影響，顯著減少了溫度、水汽等環(huán)境擾動(dòng)引起的隨機(jī)誤差估計(jì)偏高——“幻影誤差”，使估計(jì)得到的隨機(jī)誤差水平（約0.057 mg·m?2·h?1）與獨(dú)立經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果（約0.063 mg·m?2·h?1）保持一致；

此外，在城市甲烷排放觀測(cè)實(shí)驗(yàn)中，HT8600P與商業(yè)化開路甲烷分析系統(tǒng)獲得了高度一致的通量結(jié)果，驗(yàn)證了該方法在實(shí)際環(huán)境條件下的適用性。

研究表明，通過(guò)減少環(huán)境因素造成的測(cè)量干擾，該方法能夠提升開路甲烷通量觀測(cè)的穩(wěn)定性，并為長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)提供更加可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

四、面向下一代甲烷通量觀測(cè)的新路徑

對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期觀測(cè)而言，儀器性能不僅體現(xiàn)在單次測(cè)量精度，更體現(xiàn)在多年尺度運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)一致性。

此次研究從監(jiān)測(cè)硬件和計(jì)算方法學(xué)兩個(gè)層面，對(duì)開路甲烷EC技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，為未來(lái)濕地、農(nóng)田、森林以及區(qū)域尺度甲烷排放觀測(cè)提供了一種新的技術(shù)選擇。

本研究采用的HT8600P大氣甲烷/水汽激光開路分析儀由寧波海爾欣光電科技有限公司研發(fā)。未來(lái)，圍繞甲烷等關(guān)鍵溫室氣體的高精度監(jiān)測(cè)需求，相關(guān)技術(shù)將進(jìn)一步服務(wù)于生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體交換研究和長(zhǎng)期觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

論文信息

Pan, D., Shen, W., Wang, K. et al. Towards correction free open-path eddy covariance flux measurements for methane. npj Clim Atmos Sci (2026).