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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:林佑勳
研究生(外文):You-Shiun Lin
論文名稱:以甲烷快速分析儀結合紊流協變性系統探討甲烷通量之研究
論文名稱(外文):CH4 flux measurement by Fast Methane Analyzer withEddy Covariance System
指導教授:莊秉潔莊秉潔引用關係
指導教授(外文):Ben-Jei Tsuang
學位類別:碩士
校院名稱:國立中興大學
系所名稱:環境工程學系所
學門:工程學門
學類:環境工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:82
中文關鍵詞:快速甲烷分析儀紊流協變性系統
外文關鍵詞:fast methane analyzereddy covariance system
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目前國際間以渦流協變性系統(ECs 系統)相關方法進行通量觀測,過去對於甲烷通量研究大部分是利用Chamber法進行甲烷濃度的量測,並進而求得甲烷通量。本研究目的在於利用Cavity-enhanced laser absorbtion技術所設計的快速甲烷分析儀搭派渦流協變性系統直接量測水稻田內甲烷之通量變化方法之建立,由於此項儀器可以連續性高頻率分析採樣氣體,對於以往方法無法進一步了解短時間甲烷通量的變化的情況,有直接的改變,並可搭配土壤及氣象資料,即時的了解到甲烷通量與大氣跟植物間收支動態變化行為。
本研究場址為台中縣霧峰農業試驗所中的水稻田,由於附近並無太多的建築物干擾風的行進,可對於干擾渦流協變性系統的因素減低到最少,實驗觀測期間為2009年4月28日至2009年6月5日止,實際實驗天數約25天。觀測期間水稻田生長狀況從一開始的半成熟期(未結穗)到結穗收割,水稻田土壤表面長時間被水覆蓋,對於甲烷生成提供一個良好的厭氧環境。在霧峰農試所架設渦流協變性系統(EC系統)、氣象因子觀測儀器、甲烷快速分析儀進行觀測。
在氣象觀測結果顯示,平均垂直風速、與摩擦風速其範圍約在-0.3 ~ 0.1 m s-1及0.03~0.4 m s-1,而在大氣溫度則為23~31 ℃。另外在土壤溫度則有明顯的日夜變化,其範圍約在20~30 ℃左右;而在土壤含水率部分,由於水稻田持續的在灌溉,所觀測到的土壤含水率也都在40%以上。對於甲烷濃度,從觀測資料可看出在實驗期間甲烷濃度有明顯的日夜變化,其甲烷濃度值在中午會達最低,約為1.9 ppm;而在夜晚接近清晨則會產生最大值2.08 ppm,另外,也將觀測到的甲烷濃度與附近環保署大里測站作一比較,發現日夜變化之趨勢相近。在甲烷通量部分,甲烷通量訊號並不明顯,唯一在小時平均值上,可看出甲烷通量稍微有日夜變化,其範圍約在-0.13~0.11 μg m-2 s-1間。在此次實驗中, 造成甲烷通量訊號不明顯的原因推測可能為:初始延遲時間設定出現誤差,以及儀器經清理過後,無法維持良好的精確度使得產生過大的雜訊讓甲烷通量不明顯。
At present, the flux measurement in the world is often measured using the Eddy Covariance System. In the past, Chamber method was often used to measure the methane concentration and flux, however it had several limits, such as of small spatial distribution. This study uses the fast methane analyzer based on Cavity-enhanced laser absorption with the Eddy covariance System to directly measure the methane flux at the rice paddy. The fast methane analyzer can continually measure with a high frequency. We also use soil data (such as soil moisture, soil heat flux, and soil temperature) and meteorological data to realize the methane flux between the atmosphere and the surface on a specific time. The study site is located at Wung-Fong Agricultural Research Institute where the interference caused by buildings which affect the wind direction to Eddy Covariance System can be reduced to the minimum. The measurement was made from 28th April to 5th June in 2009 through automated measurement and data logging system. The measurement in the rice paddy started in the growing period and ended in harvest period. The soil of the rice paddy was covered by water during measured period, and this condition provides a good anaerobic environment for methane production. The vertical wind velocity and the friction velocity are -0.3 - 0.1 m s-1 and 0.03-0.4 m s-1, respectively. The air temperature is 23 -31 ℃, and the diurnal variation on soil temperature is distributed in 20-30℃. The soil water content is more than 40% because the rice paddy was flooded all the time when the measurement was in proceeding. For the methane concentration, there was an obvious diurnal variation during the measurement period. From the composite diurnal methane concentration, the minimum concentration occurred around the noon and the mean concentration was about 1.9 ppm during daytime. The maximum concentration is about 2.08 ppm at dawn. The observed methane concentrations at Wung-fong station and Dali station were compared and the result showed similar diurnal variation. Although there was no obvious signal on the day-after-day methane flux measurement, the diurnal variation of methane flux was -0.13~0.11 μg m-2 s-1. A reason which leads to unobvious methane flux signal may be caused by the inadequate setting of the delay-time. Another reason may be caused by the suspended particle which dirtied the instrument and produced stronger noise to influence the precision.
摘要 IV
Abstract VI
目錄 VIII
圖目錄 XI
表目錄 XIV
第一章 前言 1
1.1 研究緣起 1
1.2 背景說明 3
1.3 渦流協變性系統 (EDDY COVARIANCE SYSTEM) 5
1.4 研究目的 6
第二章 文獻回顧 7
第三章 研究理論與實驗方法 9
3.1 渦流協變性系統之紊流通量測量原理 9
3.2 渦流協變性系統通量觀測之誤差 14
3.2.1 能量缺口 (Energy closure gaps) 14
3.2.2 垂直平均風速不為零 (Non-zero mean vertical velocity) 16
3.3 FLUX FOOTPRINT 17
3.4 校正原理 18
3.4.1 座標旋轉 18
3.4.1.1 二維座標旋轉 21
3.4.1.2 三維座標旋轉 23
3.5 實驗設備 24
3.5.1 高速反應系統 (High Response Subsystem) 24
3.5.1.1音波風速 / 溫度計 (CSAT3) 24
3.5.1.2 紅外線氣體分析儀 (Li7500 open path CO2/H2O Analyzer) 26
3.5.1.3甲烷快速分析儀(RMT200) 27
3.5.1.3.1量測原理 27
3.5.1.3.2採樣氣體分析流程圖 28
3.5.1.4資料處理器 (CR5000) 32
3.5.2 低速反應系統 (Low Response Subsystem) 33
3.5.2.2溫溼度計 (HMP45c) 34
3.5.2.3土壤熱通量板 (HFT3-L REBS Soil Heat Flux Plate) 35
3.5.2.4 土壤溫度計(107-L) 36
3.5.2.5資料處理器(CR10X) 36
3.5.2.6資料處理器(CR21X) 36
第四章 案例研究 37
4.1 實驗場址介紹 37
4.1.2 甲烷快速分析儀之清理 41
4.2觀測資料分析 44
4.2.1紊流協變性系統 44
4.2.1.1平均風速(ws)、平均風向(wd) 44
4.2.1.2摩擦風速(u*)、平均垂直風速(w) 46
4.2.1.3 Flux footprint 48
4.2.1.4 相對溼度(RH) 49
4.2.1.5大氣溫度 50
4.2.1.6 甲烷濃度值(CH4 concentration) 52
4.2.2 氣象因子儀器&地表參數儀器 55
4.2.2.1 土壤溫度(ST) 55
4.2.2.2 土壤含水率(Sw) 57
4.2.2.3土壤熱通量(G) 58
4.2.2.4太陽輻射(Rs、Rsr) 60
第五章 結果與討論 62
5.1甲烷通量 (CH4 FLUX) 62
5.2無明顯甲烷通量訊號之探討 66
5.2.1垂直風速擾動項(w'')與甲烷濃度擾動項(c'') 66
5.2.1.1分析方法之建立 66
5.2.1.2分析結果與討論 67
5.2.2不同延遲時間(delay-time)對於甲烷通量之探討 70
5.2.3土壤溫度&甲烷濃度 74
5.2.4 平均風速(ws)、土壤溫度(ST)與甲烷通量(CH4 flux) 76
第六章 結論與建議 78
6.1結論 78
6.1.1 氣象條件分析 78
6.1.2 土壤參數分析 78
6.1.3 甲烷濃度分析 79
6.1.4 甲烷通量分析 79
6.2 建議 81
第七章 參考文獻 82

圖目錄

圖1-1 大氣分層示意圖 2
圖1-2 大氣邊界層高度與時間變化圖 (Kaimal and Finnigan, 1994) 4
圖2.1 CH4通量觀測圖(Akira et al. ,2000) 7
圖3.1.1 垂直風速變化圖 10
圖3.1.2 渦流協變 (eddy covariance) 機制示意圖 12
圖3-2-1 實驗量測原理架構之示意圖 15
圖3-4-1 音波風速計因 (a)安裝失誤;(b)地形因素影響之示意圖 19
圖3-4-2 座標旋轉原理之示意圖 20
圖3.5.1 Cavity-enhanced laser absorbtion 分析方法示意圖 28
圖3.5.2 甲烷快速分析儀分析採樣氣體流程圖 30
圖3-6-1 (a)短波輻射計(PSP);(b)長波輻射計(PIR) 33
圖4.1.1 實驗期間霧峰農試所水稻生長情況 37
圖4.1.2 渦流協變性系統架設地點與氣象站相關位置 38
圖4.1.3 紊流協變性系統及採樣管架設情況 39
圖4.1.4 氣象因子與地表參數儀器架設情況 40
圖4.1.5 左為土壤含水率,右為土溫計與土壤熱通量架設情況 40
圖4.1.6 分析光腔室之俯瞰 41
圖4.1.7 卸除反射鏡 42
圖4.1.8 利用丙酮及甲醇去除油脂及懸浮微粒 42
圖4.1.9 將清理好的反射鏡裝置在光腔室上 43
圖4.2.1 實驗期間風速序列圖 45
圖4.2.2 實驗期間風向序列圖 45
圖4.2.3 實驗期間摩擦風速序列圖 47
圖4.2.4 實驗期間平均垂直風速時間序列圖 47
圖4.2.5 實驗期間觀測資料之flux footprint 48
圖4.2.13 環保署大里測站甲烷小時平均值 54
圖4.2.14 環保署大里測站與霧峰農試所分別量測之甲烷濃度關係圖 55
圖4.2.17 實驗期間土壤含水率之時間序列圖 58
圖4.2.19 實驗期間土壤熱通量之小時平均值 59
圖4.2.20 實驗期間所觀測到的太陽短波輻射(Rs)、地表反射短波輻射(Rsr)時間序列圖 60
圖4.2.21 實驗期間觀測到的反照率時間序列圖 61
圖4.2.22 實驗期間觀測到之反照率小時平均值 61
續圖5.1.1實驗期間甲烷通量之時間序列圖 64
圖5.1.2 甲烷通量之小時平均值 65
圖5.1.3 去除建築物干擾後之甲烷通量小時平均值 65
圖5.1.4 探討霧峰農試所量測甲烷通量與甲烷濃度之相關性 66
圖5.2.1 5/26垂直方向風速擾動項(w'')與二氧化碳濃度擾動項(CO2'') 10 Hz資料時間序列圖 69
圖5.2.2 5/26垂直方向風速擾動項(w'')與甲烷濃度擾動項(CH4'') 10 Hz資料時間序列圖 69
圖5.2.4 延遲時間(delaytime)為2.9秒甲烷通量時間序列圖 71
圖5.2.5 延遲時間(delaytime)為3.0秒甲烷通量時間序列圖 72
圖5.2.6 延遲時間(delaytime)為3.1秒甲烷通量時間序列圖 72
圖5.2.7 延遲時間(delaytime)為3.2秒甲烷通量時間序列圖 73
圖5.2.8 延遲時間(delaytime)為3.3秒甲烷通量時間序列圖 73
圖 5.2.9 土壤溫度與甲烷濃度之時間序列圖 75
圖 5.2.10 土壤溫度與甲烷濃度之小時平均值 75
圖5.2.11 平均風速與土壤溫度之小時平均值 77
圖5.2.12 甲烷通量之小時平均值 77

表目錄
表3.1 音波風速/溫度計之特性與限制 25
表3.2 紅外線氣體分析儀之特性與限制 26
表3.3 甲烷快速分析儀之特性與限制 30
表3.5 溫溼度計之特性與限制 34
表3.6 土壤熱通量板之特性與限制 35
X. Hou, G. X. Chen, Z. P. Wang, O. Van Cleemput, and W. H. Patrick, Jr..,2000,"Methane and Nitrous Oxide Emissions from Rice Field in Relation to Soil Redox and Microbiological Processes",SOIL SCI.SOC. AM. J., VOL.64, NOVEMBER-DECEMBER 2000
MARTIN KRUGER, PETER FRENZEL and RALF CONRAD.,2001, "Microbial processes influencing methane emission from rice fields", Global Change Biology 7, 49-63
Akira Miyata ,Ray Leuning ,Owen Thomas Denmead ,Joon im ,Yoshinobu Harazona.,2000, "Carbon dioxide and fluxes from an intermittently flooded paddy field", Agricultural and Forest Meteorology 102, 287-303
S.N. Satpathy, S. Mishra, T.K. Adhya1, B. Ramakrishnan, V.R. Rao and N. Sethunathan., 1998,” Cultivar variation in methane efflux from tropical rice”, Plant and Soil 202,223-229”
Chen-Wuing Liu, Chung-Yi Wu.,2004, “Evaluation of methane emissions from Taiwanese paddies”, Science of the Total Environment 333, 195-207

吳兆偉,”水稻田生長季及休耕期通量資料分析與比較”,碩士論文,國立中興大學環境工程研究所。
QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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