城市温室气体（CO2、CH4、N2O）移动式测量——方法及意义（上）

更新时间：2021-07-14 点击次数：3144

城市已成为全球碳排放研究的热点区域。

城市温室气体移动式测量能提供温室气体排放源的具体位置和释放速率信息，从而帮助决策者制定合理的城市发展规划及减排政策。

为帮助广大研究工作者深入了解这一新兴科研领域，6月17日，LI-COR应用科学家Dave Johnson、Graham Leggett、George Burba就这一主题和大家分享了城市温室气体（CO₂、CH₄、N₂O）移动式测量方法，以及这些测量数据的实际应用价值。下面是视频回放。

城市温室气体（CO₂、CH₄、N₂O）移动式测量
——方法及意义

Stationary concentration

measurements and mobile monitoring

Dave Johnson
Graham Leggett
George Burba
翻译 | 子毅

大约1个月之前，我们有一个关于城市温室气体通量的讲座，介绍了城市通量测量系统的知识和相关研究案例，如果您想观看回放，请点击下面的链接城市生态系统温室气体通量测量方法与案例分享。

涡度协方差通量测量系统由高频采样气体分析仪和三维超声风速仪组成。一般，我们会把通量塔安装在城市中高层建筑物的顶部。通量数据会告诉我们温室气体的交换速率——即温室气体进出生态系统的量。如在下面的例子中，研究者不仅能得到整个研究区的CO₂通量，还能把绿地和工业区分开进行统计，这类研究能帮助决策者制定科学的城市发展规划。

涡度协方差通量测量系统
直接测量城市温室气体通量并分区研究

大部分情况下，涡度协方差通量测量是一种“定点式"测量，这种测量方法有诸多优点：（1）温室气体交换速率的直接测量；（2）连续数据，每天24小时、每周7天不间断；（3）这种测量方法有坚实的理论基础，因此，不仅在城市，在全球很多其他自然生态系统研究中都能看到它的身影；（4）在城市中，通量塔的安装位置很高，可以“俯瞰"城市很多区域，利用FootPrint分析，能研究不同区域的温室气体交换。

但是，这种测量方法也会面临一些挑战：（1）测量数据严重依赖风向；（2）测量数据仅反映上风向的区域；（3）测量受大气湍流运动是否充分发展的影响，例如在夜间，在大气层结稳定的情况下，数据质量就会有折扣；（4）由于城市生态系统下垫面复杂，在哪里安装仪器也需仔细斟酌;（5）如果想通过这种方法定位温室气体释放具体的位点，也比较困难。

因此，在进行城市温室气体测量时，我们可以将目光投向另外一种测量方式——“移动式"观测。

先看一个在日本的研究案例，Takano和Ueyama在Osaka的Sakai地区，搭建了一个通量塔，塔高~112m。测量区域包括商业区和居民区，在研究区内有一些CH4释放的潜在来源，如污水处理厂，炼油厂、天然气设施等。

使用FootPrint方法，研究者分析了不同区域的CH₄通量。为了“指认"出CH₄排放的“热点区域"，研究者使用了车载移动式测量方式——LI-7700车载移动式观测平台。

“定点式"和“移动式"测量方法的有效结合

他们开车在潜在释放区进行了移动式观测。数据显示，污水处理厂、炼油厂、天然气设施附近CH₄浓度均高于大气背景浓度。

下面，我的同事Graham博士，会就这个方面的研究，和大家展开分享。

大家好，我是Graham。今天的讲座重点关注移动式测量。通量测量也非常重要，有时将两种方法结合在一起，可以让我们更清晰的了解城市环境中的温室气体排放。

TGA（Trace Gas Analyzers）温室气体分析仪及工作原理

关于气体分析仪，LI-COR有两类解决方案，一类是TGA（Trace Gas Analyzers）平台，可以高精度测量温室气体浓度，如LI-7810（CH₄/CO₂/H₂O）、LI-7815（CO₂/H₂O）、LI-7820（N₂O/H₂O）；另一类就是可整合到涡度协方差系统中的气体分析仪，如LI-7700开路式CH₄测量仪、LI-7500DS开路式CO₂/H₂O分析仪、LI-7200RS闭路式CO₂/H₂O分析仪。

LI-COR的两类温室气体分析仪

首先我们来看一下TGA平台仪器的测量原理。这些仪器的采样频率是1Hz，利用光反馈-腔增强激光吸收光谱技术进行测量。

你能看到，这是一个近红外发射源，发射的激光进入一个反射率非常高的镜面系统。在这个由镜面组成的V型腔中，进行多次反射，光程能达到几公里。光腔的尺寸很小，只有6.41cm³，伴随着~280 cc min-1的流速，换气速度很快，这使得分析仪的测量响应时间小于2s，能够对气体的变化迅速做出响应。

TGA平台仪器的测量原理及<2s的响应时间

TGA能提高联网监测传感器的精准度

下面是城市中由传感器组成的监测网络（Urban Sensor Networks）。由于传感器成本低，从而能大量布点。组成的网络能实时监测城市中不同区域的空气污染。下面的这个是CO₂传感器，它的成本非常低，大约只有10美元左右。

然而，如果只是部署这些传感器，所能提供的信息是有限的。因为它们的准确度一般，很容易出现数据漂移。我们可以使用高精准的TGA对其进行逐一校准，提高其数据的准确度。最终，整个测量网络的测量准确度会得到提高。

这是来自伦敦市区的一个监测网络，使用的是CO₂传感器，传感器布网密度大，数据的准确度一般，只能起到指示的作用。使用TGA对其进行校准，大幅提升了其数据可靠性。

用TGA对CO₂传感器进行校准，提高其测量精准度

三种移动式测量应用场景

首尔国立大学的研究者们，他们以LI-850为核心，设计了“单点"观测平台，“多点"联网组成监测网络。研究者们使用LI-7815（CO₂/H₂O）分析仪进行移动式测量，目标是找出CO₂的释放“热点"具体位置。你能看到，他们在车顶上布设采样进气口。数据显示，图中红色位置的CO₂浓度高于600ppm，而其他位点的CO₂大约是400ppm。

首尔国立大学的温室气体移动式测量

概括一下，有三种移动式测量应用场景：场景1，温室气体浓度成图；场景2，温室气体浓度成图+高浓度释放位置确认；场景3，温室气体浓度成图+高浓度释放位置确认+释放速率定量。三种应用场景，需要数学运算的工作越来越复杂，如第三种场景，可以使用EPA OTM 33/33A的模型进行计算。

三种移动式测量应用场景

首先，我们通过车载测量方式，将调查的数据成图显示，使用模型来计算“源点"释放速率。原则上，温室气体在排放后，会在风的驱动下，向下风向传输，扩散形状如图所示。当开车经过这里进行测量后，我们就可以用数学方法刻画它的形状，根据风速、风向等信息，回推它的释放位置和速率。

EPA OTM 33/33A模型回算温室气体释放位置和速率

这是使用EPA OTM 33A的一个例子，在科罗拉多，研究者使用了LI-7810（CH₄/CO₂/H₂O）分析仪，还有LI-7700开路CH₄分析仪进行测量。他们模拟了CH₄的泄漏，并控制其泄漏速率，仪器架设在其下风向，量化其扩散过程。

这张图显示了控制泄漏值、理论值和LI-7700测量值之间的关系。

EPA OTM 33/33A模型回算温室气体释放速率与真值的比较

还有MEMO²项目，来自德国Heidelberg大学的研究者们，使用LI-7810，根据EPA OTM 33A的方法，量化了石油和天然气设施的CH₄释放。该项目耗时三周，测量系统由LI-7810和三维超声风速仪组成，

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在德国2019年的慕尼黑啤酒节上，研究者们使用LI-7810测量了啤酒节上的CH₄释放。这绝对是一场大型集会，来自全球的大约6百万游客参加了这一活动。啤酒节持续两周，研究者使用LI-7810每天测量8-12h。研究者身背LI-7810（CH₄/CO₂/H₂O）分析仪，在啤酒节集会区内外测量CH₄浓度。

研究者们使用LI-7810测量了啤酒节上的CH₄释放

这是啤酒节的场地图，研究者借助傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR），监测集会区的CO₂、CH₄浓度。人们在烧烤或烹饪美食时，会使用天然气，因此会有CH₄排放。

数据显示，在集会区内部，CH₄浓度会很高，能达到4.5ppm，大约是集会区外面背景浓度的两倍以上。当经过烹饪摊位时，能观测到CH₄浓度的突然升高。

集会区内外和摊位附近的CH₄浓度

尽管还没有被包含在*释放名录中，慕尼黑啤酒节无疑是一个明显的CH₄释放源。CH₄释放速率是波士顿城市地区释放强度的10倍（McKain等，2015），是慕尼黑市区释放强度的20倍。

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城市温室气体排放的研究联盟

下面我们来看一下ICOS组织下的城市温室气体观测联盟。基于城市大小的差异，三个城市首先作为试点加入了此观测系统，分别是巴黎（法国）、慕尼黑（德国）和苏黎世（瑞士）。为确保监测方法的普适性，另外12个城市也加入了此研究网络，分别是赫尔辛基（芬兰）、哥本哈根（丹麦）、鹿特丹港市（荷兰）、安特卫普（比利时）、克拉科夫（波兰）、布尔诺（捷克）、海德堡（德国）、巴塞尔（瑞士）、波尔图（葡萄牙）、巴塞罗那（西班牙）、罗马（意大利）、雅典（希腊）。

另外还有PAUL项目（Pilot Application in Urban Landscapes），旨在推动城市温室气体的联网监测。