城市溫室氣體（CO2、CH4、N2O）移動(dòng)式測量——方法及意義（上）

城市已成為全球碳排放研究的熱點(diǎn)區域。

城市溫室氣體移動(dòng)式測量能提供溫室氣體排放源的具體位置和釋放速率信息，從而幫助決策者制定合理的城市發(fā)展規劃及減排政策。

為幫助廣大研究工作者深入了解這一新興科研領(lǐng)域，6月17日，LI-COR應用科學(xué)家Dave Johnson、Graham Leggett、George Burba就這一主題和大家分享了城市溫室氣體（CO₂、CH₄、N₂O）移動(dòng)式測量方法，以及這些測量數據的實(shí)際應用價(jià)值。下面是視頻回放。

城市溫室氣體（CO₂、CH₄、N₂O）移動(dòng)式測量
——方法及意義

Stationary concentration 

measurements and mobile monitoring

Dave Johnson
Graham Leggett
George Burba
翻譯 | 子毅

大約1個(gè)月之前，我們有一個(gè)關(guān)于城市溫室氣體通量的講座，介紹了城市通量測量系統的知識和相關(guān)研究案例，如果您想觀(guān)看回放，請點(diǎn)擊下面的鏈接城市生態(tài)系統溫室氣體通量測量方法與案例分享。

渦度協(xié)方差通量測量系統由高頻采樣氣體分析儀和三維超聲風(fēng)速儀組成。一般，我們會(huì )把通量塔安裝在城市中高層建筑物的頂部。通量數據會(huì )告訴我們溫室氣體的交換速率——即溫室氣體進(jìn)出生態(tài)系統的量。如在下面的例子中，研究者不僅能得到整個(gè)研究區的CO₂通量，還能把綠地和工業(yè)區分開(kāi)進(jìn)行統計，這類(lèi)研究能幫助決策者制定科學(xué)的城市發(fā)展規劃。

渦度協(xié)方差通量測量系統
直接測量城市溫室氣體通量并分區研究

大部分情況下，渦度協(xié)方差通量測量是一種“定點(diǎn)式"測量，這種測量方法有諸多優(yōu)點(diǎn)：（1）溫室氣體交換速率的直接測量；（2）連續數據，每天24小時(shí)、每周7天不間斷；（3）這種測量方法有堅實(shí)的理論基礎，因此，不僅在城市，在全球很多其他自然生態(tài)系統研究中都能看到它的身影；（4）在城市中，通量塔的安裝位置很高，可以“俯瞰"城市很多區域，利用FootPrint分析，能研究不同區域的溫室氣體交換。

但是，這種測量方法也會(huì )面臨一些挑戰：（1）測量數據嚴重依賴(lài)風(fēng)向；（2）測量數據僅反映上風(fēng)向的區域；（3）測量受大氣湍流運動(dòng)是否充分發(fā)展的影響，例如在夜間，在大氣層結穩定的情況下，數據質(zhì)量就會(huì )有折扣；（4）由于城市生態(tài)系統下墊面復雜，在哪里安裝儀器也需仔細斟酌;（5）如果想通過(guò)這種方法定位溫室氣體釋放具體的位點(diǎn)，也比較困難。

因此，在進(jìn)行城市溫室氣體測量時(shí)，我們可以將目光投向另外一種測量方式——“移動(dòng)式"觀(guān)測。

先看一個(gè)在日本的研究案例，Takano和Ueyama在Osaka的Sakai地區，搭建了一個(gè)通量塔，塔高~112m。測量區域包括商業(yè)區和居民區，在研究區內有一些CH4釋放的潛在來(lái)源，如污水處理廠(chǎng)，煉油廠(chǎng)、天然氣設施等。

使用FootPrint方法，研究者分析了不同區域的CH₄通量。為了“指認"出CH₄排放的“熱點(diǎn)區域"，研究者使用了車(chē)載移動(dòng)式測量方式——LI-7700車(chē)載移動(dòng)式觀(guān)測平臺。

“定點(diǎn)式"和“移動(dòng)式"測量方法的有效結合

他們開(kāi)車(chē)在潛在釋放區進(jìn)行了移動(dòng)式觀(guān)測。數據顯示，污水處理廠(chǎng)、煉油廠(chǎng)、天然氣設施附近CH₄濃度均高于大氣背景濃度。

下面，我的同事Graham博士，會(huì )就這個(gè)方面的研究，和大家展開(kāi)分享。

大家好，我是Graham。今天的講座重點(diǎn)關(guān)注移動(dòng)式測量。通量測量也非常重要，有時(shí)將兩種方法結合在一起，可以讓我們更清晰的了解城市環(huán)境中的溫室氣體排放。

TGA（Trace Gas Analyzers）溫室氣體分析儀及工作原理

關(guān)于氣體分析儀，LI-COR有兩類(lèi)解決方案，一類(lèi)是TGA（Trace Gas Analyzers）平臺，可以高精度測量溫室氣體濃度，如LI-7810（CH₄/CO₂/H₂O）、LI-7815（CO₂/H₂O）、LI-7820（N₂O/H₂O）；另一類(lèi)就是可整合到渦度協(xié)方差系統中的氣體分析儀，如LI-7700開(kāi)路式CH₄測量?jì)x、LI-7500DS開(kāi)路式CO₂/H₂O分析儀、LI-7200RS閉路式CO₂/H₂O分析儀。

LI-COR的兩類(lèi)溫室氣體分析儀

首先我們來(lái)看一下TGA平臺儀器的測量原理。這些儀器的采樣頻率是1Hz，利用光反饋-腔增強激光吸收光譜技術(shù)進(jìn)行測量。

你能看到，這是一個(gè)近紅外發(fā)射源，發(fā)射的激光進(jìn)入一個(gè)反射率非常高的鏡面系統。在這個(gè)由鏡面組成的V型腔中，進(jìn)行多次反射，光程能達到幾公里。光腔的尺寸很小，只有6.41cm³，伴隨著(zhù)~280 cc min-1的流速，換氣速度很快，這使得分析儀的測量響應時(shí)間小于2s，能夠對氣體的變化迅速做出響應。

TGA平臺儀器的測量原理及<2s的響應時(shí)間

TGA能提高聯(lián)網(wǎng)監測傳感器的精準度

下面是城市中由傳感器組成的監測網(wǎng)絡(luò )（Urban Sensor Networks）。由于傳感器成本低，從而能大量布點(diǎn)。組成的網(wǎng)絡(luò )能實(shí)時(shí)監測城市中不同區域的空氣污染。下面的這個(gè)是CO₂傳感器，它的成本非常低，大約只有10美元左右。

然而，如果只是部署這些傳感器，所能提供的信息是有限的。因為它們的準確度一般，很容易出現數據漂移。我們可以使用高精準的TGA對其進(jìn)行逐一校準，提高其數據的準確度。最終，整個(gè)測量網(wǎng)絡(luò )的測量準確度會(huì )得到提高。

這是來(lái)自倫敦市區的一個(gè)監測網(wǎng)絡(luò )，使用的是CO₂傳感器，傳感器布網(wǎng)密度大，數據的準確度一般，只能起到指示的作用。使用TGA對其進(jìn)行校準，大幅提升了其數據可靠性。

用TGA對CO₂傳感器進(jìn)行校準，提高其測量精準度

三種移動(dòng)式測量應用場(chǎng)景

首爾國立大學(xué)的研究者們，他們以L(fǎng)I-850為核心，設計了“單點(diǎn)"觀(guān)測平臺，“多點(diǎn)"聯(lián)網(wǎng)組成監測網(wǎng)絡(luò )。研究者們使用LI-7815（CO₂/H₂O）分析儀進(jìn)行移動(dòng)式測量，目標是找出CO₂的釋放“熱點(diǎn)"具體位置。你能看到，他們在車(chē)頂上布設采樣進(jìn)氣口。數據顯示，圖中紅色位置的CO₂濃度高于600ppm，而其他位點(diǎn)的CO₂大約是400ppm。

首爾國立大學(xué)的溫室氣體移動(dòng)式測量

概括一下，有三種移動(dòng)式測量應用場(chǎng)景：場(chǎng)景1，溫室氣體濃度成圖；場(chǎng)景2，溫室氣體濃度成圖+高濃度釋放位置確認；場(chǎng)景3，溫室氣體濃度成圖+高濃度釋放位置確認+釋放速率定量。三種應用場(chǎng)景，需要數學(xué)運算的工作越來(lái)越復雜，如第三種場(chǎng)景，可以使用EPA OTM 33/33A的模型進(jìn)行計算。

三種移動(dòng)式測量應用場(chǎng)景

首先，我們通過(guò)車(chē)載測量方式，將調查的數據成圖顯示，使用模型來(lái)計算“源點(diǎn)"釋放速率。原則上，溫室氣體在排放后，會(huì )在風(fēng)的驅動(dòng)下，向下風(fēng)向傳輸，擴散形狀如圖所示。當開(kāi)車(chē)經(jīng)過(guò)這里進(jìn)行測量后，我們就可以用數學(xué)方法刻畫(huà)它的形狀，根據風(fēng)速、風(fēng)向等信息，回推它的釋放位置和速率。

EPA OTM 33/33A模型回算溫室氣體釋放位置和速率

這是使用EPA OTM 33A的一個(gè)例子，在科羅拉多，研究者使用了LI-7810（CH₄/CO₂/H₂O）分析儀，還有LI-7700開(kāi)路CH₄分析儀進(jìn)行測量。他們模擬了CH₄的泄漏，并控制其泄漏速率，儀器架設在其下風(fēng)向，量化其擴散過(guò)程。

這張圖顯示了控制泄漏值、理論值和LI-7700測量值之間的關(guān)系。

EPA OTM 33/33A模型回算溫室氣體釋放速率與真值的比較

還有MEMO²項目，來(lái)自德國Heidelberg大學(xué)的研究者們，使用LI-7810，根據EPA OTM 33A的方法，量化了石油和天然氣設施的CH₄釋放。該項目耗時(shí)三周，測量系統由LI-7810和三維超聲風(fēng)速儀組成，

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在德國2019年的慕尼黑啤酒節上，研究者們使用LI-7810測量了啤酒節上的CH₄釋放。這絕對是一場(chǎng)大型集會(huì )，來(lái)自全球的大約6百萬(wàn)游客參加了這一活動(dòng)。啤酒節持續兩周，研究者使用LI-7810每天測量8-12h。研究者身背LI-7810（CH₄/CO₂/H₂O）分析儀，在啤酒節集會(huì )區內外測量CH₄濃度。

研究者們使用LI-7810測量了啤酒節上的CH₄釋放

這是啤酒節的場(chǎng)地圖，研究者借助傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR），監測集會(huì )區的CO₂、CH₄濃度。人們在燒烤或烹飪美食時(shí)，會(huì )使用天然氣，因此會(huì )有CH₄排放。

數據顯示，在集會(huì )區內部，CH₄濃度會(huì )很高，能達到4.5ppm，大約是集會(huì )區外面背景濃度的兩倍以上。當經(jīng)過(guò)烹飪攤位時(shí)，能觀(guān)測到CH₄濃度的突然升高。

集會(huì )區內外和攤位附近的CH₄濃度

盡管還沒(méi)有被包含在*釋放名錄中，慕尼黑啤酒節無(wú)疑是一個(gè)明顯的CH₄釋放源。CH₄釋放速率是波士頓城市地區釋放強度的10倍（McKain等，2015），是慕尼黑市區釋放強度的20倍。

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城市溫室氣體排放的研究聯(lián)盟

下面我們來(lái)看一下ICOS組織下的城市溫室氣體觀(guān)測聯(lián)盟?；诔鞘写笮〉牟町?，三個(gè)城市首先作為試點(diǎn)加入了此觀(guān)測系統，分別是巴黎（法國）、慕尼黑（德國）和蘇黎世（瑞士）。為確保監測方法的普適性，另外12個(gè)城市也加入了此研究網(wǎng)絡(luò )，分別是赫爾辛基（芬蘭）、哥本哈根（丹麥）、鹿特丹港市（荷蘭）、安特衛普（比利時(shí)）、克拉科夫（波蘭）、布爾諾（捷克）、海德堡（德國）、巴塞爾（瑞士）、波爾圖（葡萄牙）、巴塞羅那（西班牙）、羅馬（意大利）、雅典（希臘）。

另外還有PAUL項目（Pilot Application in Urban Landscapes），旨在推動(dòng)城市溫室氣體的聯(lián)網(wǎng)監測。

ICOS城市溫室氣體排放的研究聯(lián)盟

移動(dòng)式測量平臺的搭建

使用LI-7810（CH₄/CO₂/H₂O）分析儀，聯(lián)合一個(gè)GPS模塊，使用樹(shù)莓派進(jìn)行數據整合（或是使用手持GPS，如Garmin的eTrex 10），就能給氣體濃度數據，帶上坐標，進(jìn)而在Google Earth中成圖顯示了。

移動(dòng)式測量平臺的搭建和數據成圖

這是一個(gè)車(chē)載的實(shí)例，使用樹(shù)莓派連接GPS模塊和LI-7810。使用扎線(xiàn)，把采樣管固定在車(chē)頂的旅行架上。采樣管前端安裝一個(gè)空氣過(guò)濾器，防止灰塵進(jìn)入。

使用樹(shù)莓派連接GPS模塊和LI-7810

我從家開(kāi)車(chē)行駛了幾英里，目標區域是一個(gè)垃圾填埋場(chǎng)。你能看到，在經(jīng)過(guò)垃圾填埋場(chǎng)時(shí)，有一個(gè)CH₄排放峰值~7ppm，使用之前提到的方法，我們就能量化CH₄的排放速率（點(diǎn)擊這么方便的車(chē)載CH₄測量，還是頭一回看到！了解更多）。

途徑區域和垃圾填埋場(chǎng)附近的CH₄濃度

另外，如果樣地不大，您也可以采用肩背走路的方式去測量。LI-7810非常便攜，只有10.5kg，因此很方便做這種方式的測量。

只有10.5kg的LI-7810

另外一個(gè)例子來(lái)自科羅拉多的一個(gè)研究組，他們開(kāi)發(fā)了一種監測泄露的方法，他們使用LI-7700開(kāi)路式CH₄分析儀，高頻采樣數據。George將就方面的實(shí)驗做更深入的講解。

科羅拉多州立大學(xué)研究者

使用車(chē)載LI-COR傳感器檢測CH₄泄漏