【儀表網(wǎng) 儀表產(chǎn)業(yè)】 導(dǎo)讀：針對當(dāng)前溫室氣體點(diǎn)源、面源、區(qū)域、全球等尺度下的監(jiān)測需求，綜合利用多種形式的光譜學(xué)測量手段，開展地面探測、地基探測、機(jī)載探測和星載探測四種典型光學(xué)觀測，獲取溫室氣體空間分布、季節(jié)變化和年變化的特征和趨勢。
 

　　摘 要：
 

　　工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、化石燃料燃燒、機(jī)動車尾氣排放等人類活動產(chǎn)生的過量溫室氣體加劇了全球氣候變暖，研究和發(fā)展適用于不同空間、時間尺度的溫室氣體精確、快速、動態(tài)檢測技術(shù)是環(huán)境氣候研究的基礎(chǔ)和前提。基于光譜學(xué)原理的氣體檢測技術(shù)，具有非接觸、快響應(yīng)、高靈敏、大范圍監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)，是目前溫室氣體監(jiān)測技術(shù)的主流研究方向。針對當(dāng)前溫室氣體點(diǎn)源、面源、區(qū)域、全球等尺度下的監(jiān)測需求，綜合利用多種形式的光譜學(xué)測量手段，開展地面探測、地基探測、機(jī)載探測和星載探測四種典型光學(xué)觀測，獲取溫室氣體空間分布、季節(jié)變化和年變化的特征和趨勢，這對理解區(qū)域碳排放、掌握源匯信息、研究環(huán)境氣候變化規(guī)律等具有重要意義。
 

　　一、背景需求
 

　　2021年8月，聯(lián)合國政府間氣候變遷專門委員會(IPCC)公布了第六次氣候變遷評估報告(IPCC-AR6)，指出工業(yè)革命后，過多的溫室氣體排放已對地球環(huán)境造成了嚴(yán)重危害。報告顯示，由于溫室效應(yīng)的影響，與工業(yè)化前的氣溫記錄相比，目前全球平均升溫估計為1.1℃，在未來20年內(nèi)，全球升溫或?qū)⒊^1.5℃。全球升溫1.5℃時，熱浪將增加，暖季將延長，而冷季將縮短，進(jìn)而對自然生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，如異常氣候頻發(fā)、海平面升高、冰川退縮、凍土融化、中高緯生長季節(jié)延長、動植物分布范圍向極區(qū)和高海拔區(qū)延伸等等。
 

　　京都議定書中規(guī)定控制的6種溫室氣體為：二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)、氫氟碳化合物(HFCs)、全氟碳化合物(PFCs)、六氟化硫(SF6)，其中后三種氣體造成溫室效應(yīng)的能力最強(qiáng)，但從對全球升溫的貢獻(xiàn)百分比來說，CO2、CH4和N2O三大主要溫室氣體所占的比例最大，它們對全球變暖的總體貢獻(xiàn)占到77%，濃度也呈現(xiàn)出逐年升高的趨勢，如表1所示。大氣中的CO2是三大主要溫室氣體中濃度最高的一種，也是對溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)最大的氣體，在大氣中滯留的時間為50~200年。大氣中CH4和N2O的濃度雖然遠(yuǎn)小于CO2，但其增溫潛勢分別是CO2的21倍和310倍。大氣中CO2、CH4和N2O三種組分是目前溫室氣體監(jiān)測的主要對象，也是當(dāng)前世界各國控制減排的主要溫室氣體組分。
 

　　表1 三種主要溫室氣體的濃度變化、增溫潛勢、對全球變暖的貢獻(xiàn)以及在大氣中滯留時間
 

　　溫室氣體監(jiān)測是研究溫室氣體濃度變化趨勢以及源和匯的構(gòu)成、性質(zhì)和強(qiáng)度等的基礎(chǔ)，也是溫室效應(yīng)評價的依據(jù)和減排措施制定的標(biāo)尺。溫室氣體監(jiān)測技術(shù)是全面掌握溫室氣體排放及其環(huán)境、氣候效應(yīng)，預(yù)測其未來變化的重要保障。發(fā)展溫室氣體監(jiān)測儀器國產(chǎn)化技術(shù)，也是構(gòu)建國家生態(tài)環(huán)境監(jiān)測體系的重要組成部分。此外，隨著國家“碳達(dá)峰”和“碳中和”戰(zhàn)略的實施，溫室氣體的準(zhǔn)確監(jiān)測與評估將成為降碳目標(biāo)的根本前提。
 

　　由于溫室氣體排放存在較大的時空變化特征，為了進(jìn)行準(zhǔn)確的排放估算，必須揭示溫室氣體排放的日變化、季節(jié)變化和空間變化的規(guī)律性，這就需要時間分辨率高、監(jiān)測尺度廣、準(zhǔn)確度高、能夠長時間連續(xù)觀測的自動監(jiān)測技術(shù)和儀器。總的來說，目前的溫室氣體監(jiān)測，需要從點(diǎn)源、面源、區(qū)域、全球等不同空間尺度開發(fā)天地一體化高靈敏時空監(jiān)測技術(shù)。
 

　　二、研究現(xiàn)狀
 

　　目前主流的溫室氣體監(jiān)測技術(shù)是以光和氣體組分的相互作用為物理機(jī)制，根據(jù)目標(biāo)組分的特征光譜，借助光譜解析算法，再結(jié)合光機(jī)電算工程技術(shù)，實現(xiàn)溫室氣體濃度在不同時間、空間、距離下的非接觸定量反演。
 

　　常見的溫室氣體光譜學(xué)檢測技術(shù)主要包括非分散紅外光譜技術(shù)(NDIR)、傅立葉變換光譜技術(shù)(FTIR)、差分光學(xué)吸收光譜技術(shù)(DOAS)、差分吸收激光雷達(dá)技術(shù)(DIAL)、可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)、離軸積分腔輸出光譜技術(shù)(OA-ICOS)、光腔衰蕩光譜技術(shù)(CRDS)、激光外差光譜技術(shù)(LHS)、空間外差光譜技術(shù)(SHS)等。
 

　　其中，NDIR技術(shù)利用氣體分子對寬帶紅外光的吸收光譜強(qiáng)度與濃度成正比的關(guān)系，進(jìn)行溫室氣體反演，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，但儀器的光譜分辨率和檢測靈敏度較低。
 

　　FTIR技術(shù)通過測量紅外光的干涉圖，并對干涉圖進(jìn)行傅立葉積分變換，從而獲得被測氣體紅外吸收光譜，能夠?qū)崿F(xiàn)多種組分同時監(jiān)測，適用于溫室氣體的本底、廓線和時空變化測量及其同位素探測，儀器系統(tǒng)較為復(fù)雜，價格比較昂貴。
 

　　DOAS也是一種寬帶光譜檢測技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)多氣體組分探測，儀器光譜分辨率較低，易受水汽和氣溶膠的影響。
 

　　DIAL技術(shù)是一種利用氣體分子后向散射效應(yīng)進(jìn)行氣體遙感探測的光譜技術(shù)，具有高精度、遠(yuǎn)距離、高空間分辨等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)較為復(fù)雜，成本較高。
 

　　TDLAS技術(shù)利用窄線寬的可調(diào)諧激光光源，完整地掃描到氣體分子的一條或幾條吸收譜線，具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、光譜分辨率高等優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)溫室氣體原位點(diǎn)式和區(qū)域開放式探測，對于多氣體組分探測通常需要多個激光器復(fù)用實現(xiàn)。
 

　　CRDS和OA-ICOS技術(shù)均屬于小型化的氣體原位探測技術(shù)，在溫室氣體監(jiān)測方面，能夠?qū)崿F(xiàn)很高的檢測靈敏度，成本比TDLAS要高。
 

　　LHS和SHS都屬于高精度、高光譜分辨的氣體檢測技術(shù)，適用于溫室氣體的柱濃度或垂直廓線探測，可用于地基和星載大氣探測領(lǐng)域。
 

　　雖然光譜學(xué)檢測技術(shù)的原理各不相同，但基本都是基于溫室氣體在紅外波段的特征吸收光譜來進(jìn)行濃度反算的，針對不同的應(yīng)用場景，綜合上述技術(shù)的測量優(yōu)勢，可以實現(xiàn)多空間尺度、多時間尺度、多氣體組分的連續(xù)自動監(jiān)測，滿足生態(tài)、環(huán)境、氣候研究對溫室氣體排放監(jiān)測的多樣需求。
 

　　在溫室氣體高靈敏探測技術(shù)方面，以美國Picarro、ABB為代表的氣體分析儀公司，開發(fā)了高性能的CRDS、OA-ICOS氣體檢測儀，在國內(nèi)大氣背景站、高原科考及其他溫室氣體高精度測量需求領(lǐng)域占據(jù)了絕對市場；溫室氣體柱總量及垂直廓線探測方面，德國Bruker超高分辨FTIR地基遙感是TCCON等組織全球碳排放觀測的主要技術(shù)方案；德國航空航天中心利用星載DIAL實現(xiàn)了三種主要溫室氣體的高精度遙感探測；LHS地基/星載溫室氣體探測是NASA發(fā)展部署中的技術(shù)方案，相關(guān)產(chǎn)品的工程化和應(yīng)用水平處于國際領(lǐng)先地位；在溫室氣體區(qū)域分布航測和排放源遙測評估方面，德國不萊梅大學(xué)開展了基于SCIAMACHY衛(wèi)星和機(jī)載WFMDOAS的算法及系統(tǒng)集成研究。目前國內(nèi)在溫室氣體監(jiān)測技術(shù)研究方面也開展了大量的工作，一些產(chǎn)品儀器也實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化推廣，包括原位點(diǎn)式TDLAS溫室氣體監(jiān)測儀、開放光路長光程TDLAS溫室氣體測量儀、機(jī)載高靈敏CRDS溫室氣體分析儀、原位點(diǎn)式高精度OA-ICOS溫室氣體分析儀和溫室氣體SHS衛(wèi)星監(jiān)測載荷等，代表性研究單位包括中國科學(xué)院安徽光機(jī)所、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、國防科技大學(xué)、山西大學(xué)、南京信息工程大學(xué)等。由于起步較晚，國內(nèi)在溫室氣體高端分析儀器性能上，尤其是測量精度、環(huán)境適應(yīng)性和長期穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)方面與國外還存在一定的差距。
 

　　三、技術(shù)應(yīng)用
 

　　大氣中CO2、CH4、N2O三大溫室氣體的特征吸收光譜主要位于近紅外和中紅外光波段，其中近紅外波段波長在0.78-2.5μm范圍，對應(yīng)于氣體分子的“泛頻”吸收譜帶，而中紅外波段波長位于2.5-25μm范圍，對應(yīng)于氣體分子的“基頻”吸收譜帶，吸收強(qiáng)度要明顯高于近紅外波段，適用于超低濃度痕量氣體分子的高靈敏檢測。
 

　　針對目前溫室氣體多目標(biāo)場景監(jiān)測需求，研究人員開展了不同形式的探測方法研究，主要包括地面探測、地基探測、機(jī)載探測和星載探測，綜合運(yùn)用各種吸收光譜技術(shù)和儀器，通過掃描獲取溫室氣體紅外波段的特征吸收光譜，經(jīng)過光電信號轉(zhuǎn)換、光譜信號采集、濃度算法解析、軟件數(shù)據(jù)處理等技術(shù)過程，能夠?qū)崿F(xiàn)溫室氣體多組分高靈敏時空分辨觀測。
 

圖1. 溫室氣體典型監(jiān)測應(yīng)用場景
 

　　3.1地面探測
 

　　在人為溫室氣體排放中，地面點(diǎn)源排放占比最高。典型的點(diǎn)源排放主要包括火電、鋼鐵、石化、化工等重點(diǎn)行業(yè)固定點(diǎn)源及高架點(diǎn)源等工業(yè)點(diǎn)源排放。此外，城市也是二氧化碳排放的主要來源，包括地面交通、城市餐飲集中區(qū)等典型城市點(diǎn)源排放，廢棄物處理行業(yè)的廢棄物填埋場和污水處理過程點(diǎn)源排放，以及農(nóng)林畜牧養(yǎng)殖業(yè)點(diǎn)源排放等。
 

　　針對地面點(diǎn)源溫室氣體監(jiān)測，又分為原位點(diǎn)式探測和開放光路區(qū)域式探測兩種方式，代表性檢測技術(shù)有NDIR、TDLAS、CRDS、OA-ICOS和FTIR。原位點(diǎn)式探測儀器，其內(nèi)部設(shè)計有密封式或開放式吸收池，面向的是環(huán)境中特定位置處或密閉艙室內(nèi)的溫室氣體監(jiān)測，儀器便攜性好，可以通過移動監(jiān)測儀器實現(xiàn)不同點(diǎn)位的溫室氣體原位探測，適用于小范圍區(qū)域的氣體排放監(jiān)測，代表性檢測儀器包括美國Licor公司生產(chǎn)的NDIR便攜式CO2分析儀、Picarro公司生產(chǎn)的CRDS高精度CO2/CH4/N2O分析儀、中國科學(xué)院安徽光機(jī)所研制的OA-ICOS高精度CO2/CH4分析儀等。開放光路區(qū)域式探測儀器，利用一對收發(fā)光學(xué)端，面向開放區(qū)域下的溫室氣體監(jiān)測，適用于幾十米至幾百米范圍的較大空間尺度監(jiān)測，代表性檢測儀器包括安徽藍(lán)盾光電子股份有限公司生產(chǎn)的TDLAS開放光路長光程CO2/CH4分析儀和中國科學(xué)院安徽光機(jī)所研制的FTIR開放光路CO2/CH4分析儀。
 

圖2.(a)原位點(diǎn)式CRDS監(jiān)測儀(b)區(qū)域開放式TDLAS監(jiān)測儀
 

　　3.2 地基探測
 

　　地面探測可以實現(xiàn)溫室氣體濃度的高精度在線測量，但測量結(jié)果容易受到地表、下墊面地形以及垂直氣團(tuán)傳輸?shù)挠绊懀⑶覠o法獲取大氣痕量氣體垂直廓線分布數(shù)據(jù)。地基遙感利用地基儀器實時采集直射太陽光，對采集的太陽光譜進(jìn)行反演，進(jìn)而獲得自地表到大氣層頂?shù)臏厥覛怏w垂直柱濃度。與地面探測不同的是，地基遙感測量得到的諸如CO2等溫室氣體垂直柱濃度對氣團(tuán)的垂直傳輸不敏感。地基遙感監(jiān)測結(jié)果能夠為溫室氣體時空分布、變化特征、區(qū)域排放等的研究提供可靠的觀測數(shù)據(jù)。
 

　　溫室氣體地基遙感探測的典型方法是高分辨率的FTIR技術(shù)，監(jiān)測波段主要位于近紅外4000~11000cm-1波段，光譜分辨率可高達(dá)0.0095cm-1，它具有高精度、高準(zhǔn)確性以及連續(xù)測量等優(yōu)勢，但高分辨的地基FTIR也具有相對較大的設(shè)備體積，建設(shè)成本較高。地基高分辨率FTIR光譜儀，簡稱FTS。目前，全球碳柱總量觀測網(wǎng)(TCCON)，就是基于FTS觀測平臺，探測多種大氣溫室氣體的柱總量和垂直廓線，主要組分包括CO2、CH4、N2O、CO、H2O、HDO。該網(wǎng)絡(luò)建立了嚴(yán)格的數(shù)據(jù)采集與反演標(biāo)準(zhǔn)，可用于研究全球的碳循環(huán)，也可為衛(wèi)星的校準(zhǔn)提供標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫。目前TCCON在全球已有二十多個站點(diǎn)，具體分布如下圖3所示。
 

圖3. TCCON全球站點(diǎn)分布圖
 

　　3.3 機(jī)載探測
 

　　溫室氣體的機(jī)載高空探測主要是利用飛機(jī)、無人機(jī)或氣球搭載氣體測量儀器，在空中每個層高上對氣體進(jìn)行檢測或?qū)γ總€層高的氣體采樣后到實驗室進(jìn)行測量，具有靈活性高、機(jī)動性強(qiáng)、監(jiān)測面積大等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)載溫室氣體探測是對溫室氣體垂直廓線的直接測量，結(jié)果具有更高的垂直分辨率與檢測精度。通過近地面機(jī)載觀測不僅能夠精準(zhǔn)穩(wěn)定獲取空間信息，而且能夠彌補(bǔ)野外站點(diǎn)觀測在空間連續(xù)性、區(qū)域一致性以及觀測精度上的不足，解決衛(wèi)星遙感時空分辨率過低以及與地面監(jiān)測校準(zhǔn)尺度不匹配的問題，成為溫室氣體監(jiān)測的一項重要輔助手段。
 

　　溫室氣體機(jī)載高空探測主要包含機(jī)載DIAL技術(shù)、機(jī)載FTIR技術(shù)、機(jī)載/球載TDLAS技術(shù)、機(jī)載/球載CRDS技術(shù)。美國NASA的研究人員在飛機(jī)上搭載一套DIAL系統(tǒng)，實現(xiàn)了10km高空處的CO2柱濃度檢測。中國科學(xué)院安徽光機(jī)所采用一架Y-12型飛機(jī)，飛行高度保持在1km，在山東半島地區(qū)開展了機(jī)載FTIR高空CO2、CO以及N2O的觀測，飛行路線覆蓋了裸土、沙灘、植被、海水以及居民區(qū)等多種地表類型。同樣是中國科學(xué)院安徽光機(jī)所，將研制的小型化TDLAS系統(tǒng)和CRDS系統(tǒng)，通過球載探測方式分別實現(xiàn)了錫林郭勒草原和青藏高原地區(qū)高空溫室氣體垂直廓線探測。
 

圖4.(a)機(jī)載DIAL探測(b)球載TDLAS探測
 

　　3.4 星載探測
 

　　星載大氣溫室氣體探測指的是利用衛(wèi)星搭載的光譜檢測儀器來獲取大氣中氣體分子的吸收光譜信息，從而反演出目標(biāo)氣體的濃度參數(shù)。星載探測具備全球覆蓋和高采樣頻率的特點(diǎn)，可在全球尺度上對大氣溫室氣體開展廣范圍、長時間的持續(xù)監(jiān)測，因此星載探測可以促進(jìn)全球溫室氣體源匯分布的研究。目前國內(nèi)外已有多顆用于溫室氣體探測的衛(wèi)星，主要包括日本的GOSAT、美國的OCO-2、中國的TanSat和高分GF-5等。
 

　　溫室氣體衛(wèi)星遙感觀測所采用的光譜檢測技術(shù)主要包括FTIR技術(shù)、DIAL技術(shù)、LHS技術(shù)和SHS技術(shù)等。日本GOSAT衛(wèi)星上搭載的FTIR光譜儀的光譜分辨率達(dá)到0.2cm-1，能夠?qū)崿F(xiàn)CO2、CH4以及H2O等溫室氣體成分的柱濃度和垂直廓線探測。搭載于GF-5上的溫室氣體探測儀GMI，采用新型的觀測技術(shù)—SHS技術(shù)獲取最高達(dá)0.035nm的高分辨率光譜，能夠?qū)崿F(xiàn)CO2和CH4的全球觀測，是國際上首臺基于該體制的星載溫室氣體遙感設(shè)備。此外，美國NASA發(fā)展了全光纖近紅外LHS技術(shù)，實現(xiàn)了大氣CO2、CH4柱濃度測量，并研制了星載LHS探測系統(tǒng)，用于測量平流層大氣CO2、CH4濃度，不過衛(wèi)星目前尚未發(fā)射。
 

圖5. 2018年9月高分五號衛(wèi)星GMI載荷CO2觀測結(jié)果
 

　　四、總結(jié)展望
 

　　溫室氣體排放監(jiān)測對于評估溫室氣體排放水平，推動溫室氣體減排具有重要意義，國際上很多國家都相繼制定了溫室氣體測定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或法規(guī)。我國溫室氣體光譜學(xué)監(jiān)測技術(shù)經(jīng)過近二十年的發(fā)展取得了長足的進(jìn)步，探測手段、研發(fā)投入、應(yīng)用產(chǎn)出等都有了較大的提升，并逐漸形成了天地一體化監(jiān)測體系，地基遙感探測和衛(wèi)星遙感探測方面的一些研究成果也達(dá)到了國際先進(jìn)水平，但是目前一些溫室氣體高端分析儀器仍落后于西方發(fā)達(dá)國家，核心部件“卡脖子”現(xiàn)象頻現(xiàn)，因此亟待推動監(jiān)測技術(shù)的創(chuàng)新優(yōu)化和國產(chǎn)儀器的更新迭代。未來，在碳達(dá)峰、碳中和以及環(huán)境污染防治等國家戰(zhàn)略推動下，基于光譜學(xué)原理的氣體檢測技術(shù)和儀器將在溫室氣體大氣背景監(jiān)測、生態(tài)通量監(jiān)測、碳柱及廓線監(jiān)測等方面發(fā)揮重要作用，相關(guān)的分析儀器也將朝著國產(chǎn)化、小型化、智能化等方向發(fā)展。
 

　　原標(biāo)題：技術(shù)熱點(diǎn) | 溫室氣體監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢