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。
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。在接下來(lái)的報告中，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，和TGA系列不同，這種分析儀的測量速度更快，功耗更低。
講座內容從下面視頻的30'42"開(kāi)始。
城市溫室氣體（CO2、CH4、N2O）移動(dòng)式測量
——快速測量系統
Stationary concentration
measurements and mobile monitoring
:using "fast" instrumentation
George Burba
翻譯 | 子毅
謝謝Graham的報告。由于時(shí)間的關(guān)系，我會(huì )簡(jiǎn)明扼要的介紹基本概念和應用案例。如果您有任何問(wèn)題，都歡迎和我們聯(lián)系，我們會(huì )針對您的具體問(wèn)題，為您提供定制化的測量解決方案。
先從快速或者稱(chēng)為高頻的測量?jì)x開(kāi)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)的測量系統中，用于溫室氣體通量的直接測量。一般來(lái)說(shuō)，這類(lèi)儀器測量頻率快，可以從10Hz到40Hz。當部署到車(chē)載或機載平臺之后，可以得到高分辨率的地圖數據。這類(lèi)儀器功耗低，適用場(chǎng)合廣泛。
快速測量?jì)x的特點(diǎn)
目前有3種不同類(lèi)型的儀器，這種分類(lèi)是基于儀器物理結構上的區別而劃分的。第一種是開(kāi)路式測量系統，氣流能直接通過(guò)其測量光路，如下面最左邊的圖（Open Path）；中間這種是傳統的閉路式測量?jì)x，采樣管被安裝在塔頂，采集的氣體通過(guò)長(cháng)管被運送到塔底的分析儀內進(jìn)行測量；最后一種是現代閉路式測量?jì)x，這類(lèi)分析儀的進(jìn)氣管短，使得其測量表現與開(kāi)路式的旗鼓相當。您可以這樣理解，現代閉路式測量?jì)x兼具了開(kāi)路式和傳統閉路式測量的優(yōu)點(diǎn)。
3種不同類(lèi)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(lèi)?；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(lèi)
光學(xué)測量有兩類(lèi)，快速和慢速測量?？焖贉y量又有Broadband和Narrowband之分。Broadband意味著(zhù)，發(fā)射源的光譜較寬；Narrowband光源的光譜很窄，通常為各種波長(cháng)的激光。
Broadband一般分布在紅外光區（Infrared Region），因此常被稱(chēng)為非色散紅外氣體（NDIR）分析儀或IRGA分析儀，這種類(lèi)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(lái)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(lái)計算氣體濃度。
下面我們來(lái)看一些商用的測量?jì)x器，首先從紅外氣體分析儀開(kāi)始，例如閉路式的紅外氣體分析儀LI-7200和開(kāi)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(kāi)路式的紅外氣體分析儀LI-7500
這兩種類(lèi)型的氣體分析儀經(jīng)歷過(guò)數次迭代。LI-7500于二十世紀90年代推向市場(chǎng)，LI-7200的出現時(shí)間稍晚。設計之初，是為了渦度相關(guān)的測量。然而，除了應用于渦度相關(guān)，這兩種儀器還可用于大氣濃度廓線(xiàn)、梯度測量，或是冠層光合測量。
LI-7200和LI-7500的多種應用場(chǎng)景
除此之外，機載、船載式測量，能實(shí)現氣體濃度在地圖上的直觀(guān)顯示，如陸地或海洋上方大氣中的CO2濃度觀(guān)測。
這是“Breathe London”項目（詳情請登錄https://www.breathelondon.org）。
LI-7200閉路式CO2/H2O分析儀安裝在Google街景汽車(chē)上。除此之外，該測量系統中還有NOx、顆粒物、臭氧傳感器。整個(gè)倫敦市區還有一個(gè)由低成本傳感器組成的觀(guān)測網(wǎng)絡(luò )。該項目備受關(guān)注，照片是倫敦市市長(cháng)Sadiq Kahn在該項目的發(fā)布會(huì )現場(chǎng)。
“Breathe London”項目
測量數據顯示，CO2、NOx以及空氣顆粒物排放呈現出很強的一致性，會(huì )隨車(chē)流的增加而升高。街景汽車(chē)上部署的攝像頭和統計軟件可以計算交通車(chē)流量。這樣，多圖層數據分析能為城市交通規劃提供理論支持，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(kāi)路式、采用激光技術(shù)測量CH4濃度的設備——LI-7700。
從圖中，您能看到，LI-7700有多種應用場(chǎng)景，機載、車(chē)載均可。LI-7700的采樣頻率能達到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的多種應用場(chǎng)景：車(chē)載、機載等
下面我們來(lái)看幾個(gè)例子。
研究項目位于加州南部海岸空氣質(zhì)量管理區（South Coast Air Quality Management District），研究者關(guān)注空氣質(zhì)量和相關(guān)管理。
車(chē)載式CH4測量平臺
這是CH4的數據圖，這種數據圖可幫助確認CH4的泄露位點(diǎn)，其中紅色路段檢測到的CH4濃度超過(guò)50ppm，遠超背景濃度2ppm，意味著(zhù)在測量地附近存在很強的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)項目。您能看到，在機頭，有一個(gè)LI-7500 CO2/H2O分析儀。在機頭有一個(gè)進(jìn)氣管，氣體被送入飛機內部使用LI-7700測量CH4濃度。研究者們關(guān)注垃圾填埋場(chǎng)的CH4釋放。
意大利國家研究委員會(huì )的機載溫室氣體測量平臺
這里是一大片垃圾廢料儲放地，污染程度高。另外，這里還有一個(gè)大型的垃圾填埋場(chǎng)。垃圾堆積過(guò)程容易引發(fā)火災（登錄www.ariasana.org 了解更多）。
意大利Terra dei Fuochi研究區：垃圾填埋場(chǎng)等
鼠標所指的地方是垃圾填埋場(chǎng)，當機載測量設備經(jīng)過(guò)此處時(shí)，能觀(guān)測到CH4濃度的強烈升高，濃度超過(guò)3.0ppm。和垃圾填埋場(chǎng)的CH4數據類(lèi)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(chǎng)、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）的機載測量。研究團隊來(lái)自勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory），他們采用這種方式測量濕地生態(tài)系統CH4的季節性排放。
無(wú)人機搭載LI-7700測量濕地CH4排放
總結一下，當我們對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?jì)x能提供高時(shí)空分辨率的數據。開(kāi)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，還有很多團隊做過(guò)或正在進(jìn)行類(lèi)似研究。這是我們?yōu)槊绹厍蛭锢砺?lián)合會(huì )AGU制作的海報。
LI-COR為美國地球物理聯(lián)合會(huì )AGU制作的海報
如果您有任何問(wèn)題，或是想和其中任何一個(gè)研究組取得聯(lián)系，我們都樂(lè )意為您提供幫助！