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。下面是視頻回放。

城市溫室氣體（CO₂、CH₄、N₂O）移動式測量
——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(tǒng)的知識和相關(guān)研究案例，如果您想觀看回放，請點(diǎn)擊下面的鏈接城市生態(tài)系統(tǒng)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(tǒng)由高頻采樣氣體分析儀和三維超聲風(fēng)速儀組成。一般，我們會把通量塔安裝在城市中高層建筑物的頂部。通量數(shù)據(jù)會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(tǒng)的量。如在下面的例子中，研究者不僅能得到整個(gè)研究區(qū)的CO₂通量，還能把綠地和工業(yè)區(qū)分開進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，這類研究能幫助決策者制定科學(xué)的城市發(fā)展規(guī)劃。

渦度協(xié)方差通量測量系統(tǒng)
直接測量城市溫室氣體通量并分區(qū)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(xù)數(shù)據(jù)，每天24小時(shí)、每周7天不間斷；（3）這種測量方法有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，因此，不僅在城市，在全球很多其他自然生態(tài)系統(tǒng)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(qū)域，利用FootPrint分析，能研究不同區(qū)域的溫室氣體交換。

但是，這種測量方法也會面臨一些挑戰(zhàn)：（1）測量數(shù)據(jù)嚴(yán)重依賴風(fēng)向；（2）測量數(shù)據(jù)僅反映上風(fēng)向的區(qū)域；（3）測量受大氣湍流運(yùn)動是否充分發(fā)展的影響，例如在夜間，在大氣層結(jié)穩(wěn)定的情況下，數(shù)據(jù)質(zhì)量就會有折扣；（4）由于城市生態(tài)系統(tǒng)下墊面復(fù)雜，在哪里安裝儀器也需仔細(xì)斟酌;（5）如果想通過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——“移動式"觀測。

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

使用FootPrint方法，研究者分析了不同區(qū)域的CH₄通量。為了“指認(rèn)"出CH₄排放的“熱點(diǎn)區(qū)域"，研究者使用了車載移動式測量方式——LI-7700車載移動式觀測平臺。

“定點(diǎn)式"和“移動式"測量方法的有效結(jié)合

他們開車在潛在釋放區(qū)進(jìn)行了移動式觀測。數(shù)據(jù)顯示，污水處理廠、煉油廠、天然氣設(shè)施附近CH₄濃度均高于大氣背景濃度。

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

大家好，我是Graham。今天的講座重點(diǎn)關(guān)注移動式測量。通量測量也非常重要，有時(shí)將兩種方法結(jié)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有兩類解決方案，一類是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）；另一類就是可整合到渦度協(xié)方差系統(tǒng)中的氣體分析儀，如LI-7700開路式CH₄測量儀、LI-7500DS開路式CO₂/H₂O分析儀、LI-7200RS閉路式CO₂/H₂O分析儀。

LI-COR的兩類溫室氣體分析儀

首先我們來看一下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(qiáng)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(tǒng)。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(dá)到幾公里。光腔的尺寸很小，只有6.41cm³，伴隨著~280 cc min-1的流速，換氣速度很快，這使得分析儀的測量響應(yīng)時(shí)間小于2s，能夠?qū)怏w的變化迅速做出響應(yīng)。

TGA平臺儀器的測量原理及<2s的響應(yīng)時(shí)間

TGA能提高聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測傳感器的精準(zhǔn)度

下面是城市中由傳感器組成的監(jiān)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(jiān)測城市中不同區(qū)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?yàn)樗鼈兊臏?zhǔn)確度一般，很容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)漂移。我們可以使用高精準(zhǔn)的TGA對其進(jìn)行逐一校準(zhǔn)，提高其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。最終，整個(gè)測量網(wǎng)絡(luò)的測量準(zhǔn)確度會得到提高。

這是來自倫敦市區(qū)的一個(gè)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，使用的是CO₂傳感器，傳感器布網(wǎng)密度大，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度一般，只能起到指示的作用。使用TGA對其進(jìn)行校準(zhǔn)，大幅提升了其數(shù)據(jù)可靠性。

用TGA對CO₂傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，提高其測量精準(zhǔn)度

三種移動式測量應(yīng)用場景

首爾國立大學(xué)的研究者們，他們以LI-850為核心，設(shè)計(jì)了“單點(diǎn)"觀測平臺，“多點(diǎn)"聯(lián)網(wǎng)組成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。研究者們使用LI-7815（CO₂/H₂O）分析儀進(jìn)行移動式測量，目標(biāo)是找出CO₂的釋放“熱點(diǎn)"具體位置。你能看到，他們在車頂上布設(shè)采樣進(jìn)氣口。數(shù)據(jù)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)的溫室氣體移動式測量

概括一下，有三種移動式測量應(yīng)用場景：場景1，溫室氣體濃度成圖；場景2，溫室氣體濃度成圖+高濃度釋放位置確認(rèn)；場景3，溫室氣體濃度成圖+高濃度釋放位置確認(rèn)+釋放速率定量。三種應(yīng)用場景，需要數(shù)學(xué)運(yùn)算的工作越來越復(fù)雜，如第三種場景，可以使用EPA OTM 33/33A的模型進(jìn)行計(jì)算。

三種移動式測量應(yīng)用場景

首先，我們通過車載測量方式，將調(diào)查的數(shù)據(jù)成圖顯示，使用模型來計(jì)算“源點(diǎn)"釋放速率。原則上，溫室氣體在排放后，會在風(fēng)的驅(qū)動下，向下風(fēng)向傳輸，擴(kuò)散形狀如圖所示。當(dāng)開車經(jīng)過這里進(jìn)行測量后，我們就可以用數(shù)學(xué)方法刻畫它的形狀，根據(jù)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(shè)在其下風(fēng)向，量化其擴(kuò)散過程。

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(xiàng)目，來自德國Heidelberg大學(xué)的研究者們，使用LI-7810，根據(jù)EPA OTM 33A的方法，量化了石油和天然氣設(shè)施的CH₄釋放。該項(xiàng)目耗時(shí)三周，測量系統(tǒng)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(jié)上，研究者們使用LI-7810測量了啤酒節(jié)上的CH₄釋放。這絕對是一場大型集會，來自全球的大約6百萬游客參加了這一活動。啤酒節(jié)持續(xù)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(jié)集會區(qū)內(nèi)外測量CH₄濃度。

研究者們使用LI-7810測量了啤酒節(jié)上的CH₄釋放

這是啤酒節(jié)的場地圖，研究者借助傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR），監(jiān)測集會區(qū)的CO₂、CH₄濃度。人們在燒烤或烹飪美食時(shí)，會使用天然氣，因此會有CH₄排放。

數(shù)據(jù)顯示，在集會區(qū)內(nèi)部，CH₄濃度會很高，能達(dá)到4.5ppm，大約是集會區(qū)外面背景濃度的兩倍以上。當(dāng)經(jīng)過烹飪攤位時(shí)，能觀測到CH₄濃度的突然升高。

集會區(qū)內(nèi)外和攤位附近的CH₄濃度

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

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城市溫室氣體排放的研究聯(lián)盟

下面我們來看一下ICOS組織下的城市溫室氣體觀測聯(lián)盟。基于城市大小的差異，三個(gè)城市首先作為試點(diǎn)加入了此觀測系統(tǒng)，分別是巴黎（法國）、慕尼黑（德國）和蘇黎世（瑞士）。為確保監(jiān)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(wèi)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(xiàng)目（Pilot Application in Urban Landscapes），旨在推動城市溫室氣體的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測。

ICOS城市溫室氣體排放的研究聯(lián)盟

移動式測量平臺的搭建

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

移動式測量平臺的搭建和數(shù)據(jù)成圖

這是一個(gè)車載的實(shí)例，使用樹莓派連接GPS模塊和LI-7810。使用扎線，把采樣管固定在車頂?shù)穆眯屑苌?。采樣管前端安裝一個(gè)空氣過濾器，防止灰塵進(jìn)入。

使用樹莓派連接GPS模塊和LI-7810

我從家開車行駛了幾英里，目標(biāo)區(qū)域是一個(gè)垃圾填埋場。你能看到，在經(jīng)過垃圾填埋場時(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)擊這么方便的車載CH₄測量，還是頭一回看到！了解更多）。

途徑區(qū)域和垃圾填埋場附近的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)例子來自科羅拉多的一個(gè)研究組，他們開發(fā)了一種監(jiān)測泄露的方法，他們使用LI-7700開路式CH₄分析儀，高頻采樣數(shù)據(jù)。George將就方面的實(shí)驗(yàn)做更深入的講解。

科羅拉多州立大學(xué)研究者

使用車載LI-COR傳感器檢測CH₄泄漏