城市已成為全球碳排放研究的熱點(diǎn)區(qū)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(guī)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(yīng)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(shù)據(jù)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

在上一期中，Graham Leggett博士給大家講解了由TGA（LI-7810/ LI-7815/ LI-7820）組成的移動(dòng)式測量平臺(tái)。在接下來的報(bào)告中，George Burba博士將為大家介紹由另一種氣體分析儀組成的移動(dòng)式測量平臺(tái)，和TGA系列不同，這種分析儀的測量速度更快，功耗更低。

講座內(nèi)容從下面視頻的30'42"開始。

城市溫室氣體（CO₂、CH₄、N2O）移動(dòng)式測量

——快速測量系統(tǒng)

Stationary concentration 

measurements and mobile monitoring

:using "fast" instrumentation

George Burba

翻譯 | 子毅

謝謝Graham的報(bào)告。由于時(shí)間的關(guān)系，我會(huì)簡明扼要的介紹基本概念和應(yīng)用案例。如果您有任何問題，都?xì)g迎和我們聯(lián)系，我們會(huì)針對(duì)您的具體問題，為您提供定制化的測量解決方案。 

先從快速或者稱為高頻的測量儀開始吧。

這些具快速測量能力的儀器常被整合進(jìn)渦度相關(guān)的測量系統(tǒng)中，用于溫室氣體通量的直接測量。一般來說，這類儀器測量頻率快，可以從10Hz到40Hz。當(dāng)部署到車載或機(jī)載平臺(tái)之后，可以得到高分辨率的地圖數(shù)據(jù)。這類儀器功耗低，適用場合廣泛。

快速測量儀的特點(diǎn)

目前有3種不同類型的儀器，這種分類是基于儀器物理結(jié)構(gòu)上的區(qū)別而劃分的。第一種是開路式測量系統(tǒng)，氣流能直接通過其測量光路，如下面最左邊的圖（Open Path）；中間這種是傳統(tǒng)的閉路式測量儀，采樣管被安裝在塔頂，采集的氣體通過長管被運(yùn)送到塔底的分析儀內(nèi)進(jìn)行測量；最后一種是現(xiàn)代閉路式測量儀，這類分析儀的進(jìn)氣管短，使得其測量表現(xiàn)與開路式的旗鼓相當(dāng)。您可以這樣理解，現(xiàn)代閉路式測量儀兼具了開路式和傳統(tǒng)閉路式測量的優(yōu)點(diǎn)。

3種不同類型的儀器

如果基于測量原理劃分，氣體分析儀可劃分為化學(xué)（Chemical）、光學(xué)（Optical）、電學(xué)（Electrical）三類?；瘜W(xué)和電學(xué)測量方法適用于氣體濃度值高的樣品，而如果氣體濃度值低，目前最主流的測量方法就是光學(xué)測量法（Optical）。

氣體分析儀可劃分為化學(xué)（Chemical）、光學(xué)（Optical）、電學(xué)（Electrical）三類

光學(xué)測量有兩類，快速和慢速測量?？焖贉y量又有Broadband和Narrowband之分。Broadband意味著，發(fā)射源的光譜較寬；Narrowband光源的光譜很窄，通常為各種波長的激光。

Broadband一般分布在紅外光區(qū)（Infrared Region），因此常被稱為非色散紅外氣體（NDIR）分析儀或IRGA分析儀，這種類型的分析儀特別適合測量CO₂和H₂O濃度。

大氣中的其他溫室氣體，如CH₄和N2O，就需要用另外的方式來測量。Broadband測量方法采用直接吸收法。激光的測量方法（Narrowband光源）一般不使用直接吸收的方法，通常會(huì)利用激光的光譜形變來計(jì)算氣體濃度。

下面我們來看一些商用的測量儀器，首先從紅外氣體分析儀開始，例如閉路式的紅外氣體分析儀LI-7200和開路式的紅外氣體分析儀LI-7500。

閉路式的紅外氣體分析儀LI-7200和

開路式的紅外氣體分析儀LI-7500

這兩種類型的氣體分析儀經(jīng)歷過數(shù)次迭代。LI-7500于二十世紀(jì)90年代推向市場，LI-7200的出現(xiàn)時(shí)間稍晚。設(shè)計(jì)之初，是為了渦度相關(guān)的測量。然而，除了應(yīng)用于渦度相關(guān)，這兩種儀器還可用于大氣濃度廓線、梯度測量，或是冠層光合測量。

LI-7200和LI-7500的多種應(yīng)用場景

除此之外，機(jī)載、船載式測量，能實(shí)現(xiàn)氣體濃度在地圖上的直觀顯示，如陸地或海洋上方大氣中的CO₂濃度觀測。

這是“Breathe London”項(xiàng)目（詳情請(qǐng)登錄https://www.breathelondon.org）。

LI-7200閉路式CO₂/H₂O分析儀安裝在Google街景汽車上。除此之外，該測量系統(tǒng)中還有NOx、顆粒物、臭氧傳感器。整個(gè)倫敦市區(qū)還有一個(gè)由低成本傳感器組成的觀測網(wǎng)絡(luò)。該項(xiàng)目備受關(guān)注，照片是倫敦市市長Sadiq Kahn在該項(xiàng)目的發(fā)布會(huì)現(xiàn)場。

“Breathe London”項(xiàng)目

測量數(shù)據(jù)顯示，CO₂、NOx以及空氣顆粒物排放呈現(xiàn)出很強(qiáng)的一致性，會(huì)隨車流的增加而升高。街景汽車上部署的攝像頭和統(tǒng)計(jì)軟件可以計(jì)算交通車流量。這樣，多圖層數(shù)據(jù)分析能為城市交通規(guī)劃提供理論支持，進(jìn)而改善城市空氣質(zhì)量。

空氣污染的城市地圖

下面這款是開路式、采用激光技術(shù)測量CH₄濃度的設(shè)備——LI-7700。

從圖中，您能看到，LI-7700有多種應(yīng)用場景，機(jī)載、車載均可。LI-7700的采樣頻率能達(dá)到40Hz，常被用于渦度相關(guān)、土壤溫室氣體釋放測量等研究。

LI-7700的多種應(yīng)用場景：車載、機(jī)載等

下面我們來看幾個(gè)例子。

研究項(xiàng)目位于加州南部海岸空氣質(zhì)量管理區(qū)（South Coast Air Quality Management District），研究者關(guān)注空氣質(zhì)量和相關(guān)管理。

車載式CH₄測量平臺(tái)

這是CH₄的數(shù)據(jù)圖，這種數(shù)據(jù)圖可幫助確認(rèn)CH4的泄露位點(diǎn)，其中紅色路段檢測到的CH4濃度超過50ppm，遠(yuǎn)超背景濃度2ppm，意味著在測量地附近存在很強(qiáng)的CH4的泄露。

移動(dòng)式測量幫助確定CH₄泄露位點(diǎn)

第二個(gè)例子是意大利國家研究委員會(huì)的一個(gè)項(xiàng)目。您能看到，在機(jī)頭，有一個(gè)LI-7500 CO₂/H₂O分析儀。在機(jī)頭有一個(gè)進(jìn)氣管，氣體被送入飛機(jī)內(nèi)部使用LI-7700測量CH₄濃度。研究者們關(guān)注垃圾填埋場的CH₄釋放。

意大利國家研究委員會(huì)的機(jī)載溫室氣體測量平臺(tái)

這里是一大片垃圾廢料儲(chǔ)放地，污染程度高。另外，這里還有一個(gè)大型的垃圾填埋場。垃圾堆積過程容易引發(fā)火災(zāi)（登錄www.ariasana.org 了解更多）。

意大利Terra dei Fuochi研究區(qū)：垃圾填埋場等

鼠標(biāo)所指的地方是垃圾填埋場，當(dāng)機(jī)載測量設(shè)備經(jīng)過此處時(shí)，能觀測到CH₄濃度的強(qiáng)烈升高，濃度超過3.0ppm。和垃圾填埋場的CH4數(shù)據(jù)類似，在廢物垃圾堆放地，CH₄濃度也會(huì)增加，尤其在其下風(fēng)向處，能測量到4.0ppm以上的濃度。

垃圾填埋場、廢物垃圾堆放地附近的CH₄濃度明顯高于背景濃度

最后一個(gè)例子是LI-7700（5.2kg）的機(jī)載測量。研究團(tuán)隊(duì)來自勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory），他們采用這種方式測量濕地生態(tài)系統(tǒng)CH₄的季節(jié)性排放。

無人機(jī)搭載LI-7700測量濕地CH₄排放

總結(jié)一下，當(dāng)我們對(duì)樣地的溫室氣體釋放進(jìn)行研究時(shí)，定點(diǎn)（渦度相關(guān)）和移動(dòng)式測量都能發(fā)揮重要作用。

快速測量儀能提供高時(shí)空分辨率的數(shù)據(jù)。開路測量方式使其功耗更低，但同時(shí)更容易受到震動(dòng)和鏡面污染的影響。

在全球范圍內(nèi)，還有很多團(tuán)隊(duì)做過或正在進(jìn)行類似研究。這是我們?yōu)槊绹厍蛭锢砺?lián)合會(huì)AGU制作的海報(bào)。

LI-COR為美國地球物理聯(lián)合會(huì)AGU制作的海報(bào)

如果您有任何問題，或是想和其中任何一個(gè)研究組取得聯(lián)系，我們都樂意為您提供幫助！