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人為溫室氣體持續(xù)排放是近百年來引發(fā)全球氣候變暖的重要驅(qū)動力?？刂迫蜃兣年P(guān)鍵在于控制溫室氣體的排放量。第 21 屆聯(lián)合國氣候變化大會一致認(rèn)為需要進(jìn)一步努力，將全球平均氣溫較前工業(yè)化時期的上升幅度控制在 2℃ 以內(nèi)。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，應(yīng)盡快達(dá)到溫室氣體排放峰值，并在 21 世紀(jì)下半葉，通過碳匯來平衡人為的排放。因此，改進(jìn)對溫室氣體源和匯的估計，準(zhǔn)確地測量溫室氣體的排放量非常重要。
國際上量化全球范圍內(nèi)的碳排放的方法主要有兩種：一種是清單法，另一種是基于濃度測量的通量反演法。清單法通過統(tǒng)計每個排放源消耗的能源，計算出 CO2 的總排放量，其缺點在于：統(tǒng)計資料和排放因子無法快速更新，難以捕捉排放源的動態(tài)變化。此外，統(tǒng)計測量的復(fù)雜度和各地的政策都會影響測量的準(zhǔn)確性?；跐舛葴y量的通量反演法使用儀器觀測溫室氣體濃度，結(jié)合大氣擴散模型和氣象數(shù)據(jù)等來綜合估算溫室氣體的排放通量。相對于清單法，該方法獲得的排放數(shù)據(jù)更新頻次快，且測量數(shù)據(jù)相對客觀，可以為溫室氣體的排放及溯源提供更準(zhǔn)確的依據(jù)。
目前，溫室氣體濃度的測量方法主要包括原位測量和遙感測量兩類。遙感技術(shù)則可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的連續(xù)測量，原位測量通過在地基或機載平臺部署大量點式傳感器等進(jìn)行監(jiān)測。在過去的十多年里，光譜技術(shù)如光腔衰蕩光譜（CRDS）、離軸連續(xù)積分腔輸出光譜（OA-ICOS）已經(jīng)商業(yè)化，逐漸取代傳統(tǒng)的非分散紅外（NDIR）和氣相色譜-火焰離子化檢測（GC-FID）系統(tǒng)。這些新技術(shù)在靈敏度、精確度、線性度、時間響應(yīng)以及測量設(shè)置方面具有明顯優(yōu)勢。
世界氣象組織（WMO）的全球大氣觀測網(wǎng)（GAW）致力于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)兼容性目標(biāo)（Compatibility Goal），使不同實驗室或現(xiàn)場站測量的大陸或全球尺度的大氣觀測能夠進(jìn)行科學(xué)解釋。網(wǎng)絡(luò)兼容性目標(biāo)是指在理想條件下，兩個實驗室或?qū)嶓w分析結(jié)果的差異允許范圍。這個差異不僅包括儀器的精度，還涉及標(biāo)準(zhǔn)、分析方法等多個方面。為實現(xiàn)該兼容性目標(biāo)，需要從量值溯源和標(biāo)準(zhǔn)化兩方面著手。一是要建立國際等效可比的量值溯源/傳遞技術(shù)體系，即統(tǒng)一溫室氣體監(jiān)測的“度量衡"；二是要在儀器選擇、點位布置、站點數(shù)據(jù)質(zhì)量控制等方面加強標(biāo)準(zhǔn)化工作。
方法描述
為了實現(xiàn)溫室氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可比性，觀測網(wǎng)絡(luò)需要建立嚴(yán)格的量值傳遞體系和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制體系。以 WMO-GAW 為例，其設(shè)立世界標(biāo)校中心（WCC），負(fù)責(zé)標(biāo)校各國的監(jiān)測設(shè)備，確保其測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性。WMO 的量值傳遞體系從國際或國家計量基準(zhǔn)開始，通過各級計量標(biāo)準(zhǔn)，逐級傳遞測量單位的量值。
實驗室間比對
Picarro 溫室氣體分析儀在巡檢計量監(jiān)測中的應(yīng)用
Picarro 分析儀憑借其優(yōu)異的精度及穩(wěn)定性，使其在全球主要溫室氣體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用，如 GAW 和 ICOS 網(wǎng)絡(luò)中的本底監(jiān)測站點以及城市背景站均采用了 Picarro 分析儀進(jìn)行溫室氣體的監(jiān)測。Picarro 分析儀的長期穩(wěn)定性及軍工級別出廠測試標(biāo)準(zhǔn)，保證了其耐用性，也使其成為少數(shù)可以用作 WMO 站點間巡檢審核的儀器。
Zellweger et al., （2016）等人通過比較 CRDS “巡檢儀器"與傳統(tǒng)的 NDIR 和 GC-FID 技術(shù)在測量 CO2 和 CH4 方面的性能，對 CRDS 儀器的 CO2 和 CH4 穩(wěn)定性分析表明，最佳校準(zhǔn)頻率約為 30 小時，CRDS 得出的 CO2 和 CH4 測量值不需要對采樣空氣進(jìn)行干燥處理，即使在熱帶地區(qū)遇到的非常潮濕的條件下，水汽校正似乎也是有效的。證實 CRDS 儀器和其他光譜技術(shù)適用于 WMO 全球大氣觀測網(wǎng)（GAW）站點，且數(shù)據(jù)有效率更高，這對于 CO2 和 CH4 長期時間序列的延續(xù)是很重要的。由于更高的時間數(shù)據(jù)覆蓋率、可重復(fù)性和線性，當(dāng)傳統(tǒng)技術(shù)（如用于測量 CO2 的 NDIR 分析儀和用于 CH4 測量的 GC-FID 系統(tǒng)）被取代時，CO2 和 CH4 測量的準(zhǔn)確性有望得到提高。
標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)定
CRDS 分析儀能夠在幾秒鐘或更短的時間內(nèi)對多組分氣體進(jìn)行監(jiān)測，靈敏度可以達(dá)到 ppb 級別，甚至有些氣體可以達(dá)到 ppt 級別。這種高精度測量能力使其在多種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)定中提供非常準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)。
日本國家計量研究所 Aoki et al.,（2022）使用 Picarro G2301 分析儀用來研究 CO2 對氣瓶的吸附和 CO2 與空氣分餾對標(biāo)準(zhǔn)混合物制備過程中的影響，實驗表明：CO2 對于氣瓶內(nèi)部吸附較??；“母-子"分裝實驗則證明了分餾不僅使制備的標(biāo)準(zhǔn)混合物中的 CO2 摩爾分?jǐn)?shù)減少，而且使源氣體中的 CO2 摩爾分?jǐn)?shù)增加，而熱擴散是分餾的主要因素。在重量法多步稀釋制備標(biāo)準(zhǔn)混合物時，必須考慮分餾引起的 CO2 摩爾分?jǐn)?shù)的變化。
中國科學(xué)院大氣物理研究所 Renet al.,（2024）為了加深對城市和區(qū)域排放的了解，設(shè)計并構(gòu)建了一個低成本無人機協(xié)調(diào)碳觀測網(wǎng)絡(luò)（LUCCN），該網(wǎng)絡(luò)使用中等精度（±1 ppm）二氧化碳傳感器，通過與 Picarro G2301 分析儀的 CO2 濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn) LUCCN 傳感器的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差在 1 秒窗口尺寸的受控實驗室環(huán)境中為 0.782 ppm，在室外環(huán)境中為 0.53 ppm。1 小時運行平均窗口大小。作為 LUCCN 地面測量的驗證，我們確定并呈現(xiàn)了當(dāng)?shù)囟趸紳舛茸兓c天基中等分辨率成像光譜儀 (MODIS) 捕獲的氣溶膠污染事件之間的一致趨勢。
LUCCN 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及在實驗室中的觀測場圖
（圖片來源：https://doi.org/10.5194/amt-2024-49）
中央研究院環(huán)境變化研究中心 Chang et al.,（2024）為了深入了解東亞大陸外流中空氣污染物的影響和時空特征，使用多功能多旋翼無人機探測平臺同時觀測中國臺灣北端 PM2.5、O3、CO2 和氣象變量。無人機搭載了 K30 FR 設(shè)備來測量空氣中的 PM2.5、O3 和 CO2 濃度。在實驗過程中，Picarro G2401 被用來校準(zhǔn)無人機平臺上的 CO2 傳感器。K30 FR 設(shè)備是一種非分散紅外（NDIR）快速響應(yīng) CO2 傳感器模塊。
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