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溫室氣體觀(guān)測中的數據合規驗證

發(fā)表時(shí)間:2024-04-17瀏覽量:123


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隨著(zhù)“雙碳”目標的確立,生態(tài)環(huán)境部出具的“碳監測評估試點(diǎn)工作方案”里明確規定了兩次校準間漂移的最大容差度,與WMO的網(wǎng)絡(luò )兼容性與拓展兼容性目標在數值上是一致的。


無(wú)論全國性還是區域性溫室氣體監測組網(wǎng),都涉及到高精度分析儀的數據合規驗證。歐洲綜合碳觀(guān)測系統ICOS要求所有臺站加入前必須進(jìn)行數據合規驗證(Labeling Process),Camille Yver-Kwok就職于LSCE-IPSL/ICOS ATC大氣中心,于2020年發(fā)表的“Evaluation and optimization of ICOS atmosphere station data as part of the labeling process”,就ICOS 23個(gè)臺站的數據合規驗證進(jìn)行了詳細討論,作為方法參考,希望對我國溫室氣體監測數據合規驗證工作有所幫助。


01

關(guān)于ICOS :歐洲綜合碳觀(guān)測系統

由于越來(lái)越清晰地認識到溫室氣體對全球氣候的影響作用,多個(gè)高精度的溫室氣體觀(guān)測網(wǎng)絡(luò )隨之建立,用以監測并量化世界不同地區不斷變化的生物圈溫室氣體通量和人為排放的相對作用。最初目標是建立大氣背景站測量溫室氣體,以獲得大尺度的代表性數據。后來(lái),越來(lái)越多的區域站和觀(guān)測網(wǎng)絡(luò )的建立,可以獲取更多關(guān)于特定區域的排放信息。事實(shí)上,高精度溫室氣體觀(guān)測網(wǎng)絡(luò )在監測和驗證國際氣候協(xié)議的背景下尤其重要。


綜合碳觀(guān)測系統 (ICOS) 是一個(gè)以歐洲為中心的基礎研究網(wǎng)絡(luò )(https://www.icos-ri.eu),可提供標準化、高精度、長(cháng)時(shí)間穩定運行的監測海洋與大氣溫室氣體濃度、生態(tài)系統通量和其他重要碳循環(huán)參數的分布式基礎設施。其實(shí)施準備階段(2008-2013)起,到2015 年底 ICOS 正式開(kāi)始法人實(shí)體運行,截止2021年底,共在歐洲14個(gè)國家建立超過(guò)60個(gè)觀(guān)測站點(diǎn)(包括30個(gè)大氣觀(guān)測站)。


ICOS 觀(guān)測站分布圖


ICOS從起步階段就使用了WMO的網(wǎng)絡(luò )兼容性目標為中心的數據質(zhì)量控制,定義了以最精確和最客觀(guān)的方式,驗證測試儀器及其測量標準操作程序,實(shí)現操作和測量協(xié)議的標準化。


ICOS大氣中心ATC (Atmospheric Thematic Center)的主要任務(wù)就是確保臺站達到基于 WMO兼容性目標的質(zhì)量目標(這些目標已在ICOS 大氣觀(guān)測規范中詳細說(shuō)明)。為此,使用了所謂的“數據合規驗證”(Labeling process),即除了首先評估新臺站位置與基礎設施,以及符合 ICOS 要求的可用人力和后勤資源的充足性,更對最初運行數月的觀(guān)測方法與數據進(jìn)行評估,確保正確設置和良好的測量實(shí)踐,并能夠達到 ICOS 的精度和穩定性要求,最終符合 ICOS 數據質(zhì)量目標。



02

ICOS的數據合規驗證(Labeling process)

  a.校準

目前,ICOS的數據合規驗證(Labeling process)階段的校準策略如下:3~4種標氣(已在 CAL-FCL 中指定并可追溯到 WMO 標度),每隔15天做一個(gè)校準序列(4次循環(huán)測量),每瓶標氣每次測試30分鐘,總共6 到 8 小時(shí)的校準測量。根據校準數據,ATC 會(huì )建議是否可以降低或增加頻率,但無(wú)論如何,每月至少需要一個(gè)校準序列。下表為ATC MLab 校準質(zhì)量控制的典型閾值(標準偏差,SD):



下圖為1 個(gè)月內 CO2 的標準氣體測量(ppm 或 μmol mol-1)與標準值的差異。短期與長(cháng)期標氣(氣瓶編號如圖所示)測量數據分別以綠色與棕色表示,淺橙色空心圓圈為兩次校準時(shí)間軸顯示。



下圖為法國 Trainou 高塔觀(guān)測系統示意圖,紅色部分為Picarro G2401 分析儀,藍色部分為系統冗余準備需要對所使用的 CO2、CH4 和 CO 分析儀定期校準(每月兩次),然而適當減少校準進(jìn)樣次數也是可以的,從而節省標氣并延長(cháng)校準氣體的使用壽命。



  b.水汽影響


水汽對測量氣體的影響是導致測量結果不確定性的一個(gè)重要來(lái)源。ICOS MLab 的測試表明,它對于迄今為止測試的所有儀器和測量技術(shù)均產(chǎn)生影響,并隨著(zhù)時(shí)間的推移以不同的方式令各種氣體光譜發(fā)生變化。確定水汽影響可以通過(guò)加濕干燥氣體獲得不同條件下測量差異的曲線(xiàn),用于測量數據的水汽校準。這類(lèi)方法比較復雜且受其他環(huán)境因素限制,現場(chǎng)水汽校正測試也無(wú)法提供定量結果,因此強烈推薦使用干燥系統。


  c.管路檢測


ICOS ATC建議定期(每年)對10 年以下的外部采樣管線(xiàn)進(jìn)行泄漏測試,理想情況下,應通過(guò)外部結構(高塔)上的每條采樣管線(xiàn)注入測試氣體,以測試管路及其內表面可能的裂縫。在測試期間,重要的是調整測試氣瓶輸出壓力,以便重現與環(huán)境空氣采樣時(shí)相同的壓力條件。如果沒(méi)有觀(guān)察到明顯的偏差,我們可以認為管路沒(méi)有泄漏。



03

合規站點(diǎn)運行

根據ICOS的數據合規驗證(Labeling process)要求,有23個(gè)臺站于2016 年至 2019 年之間完成了數據質(zhì)量目標驗證,并得到 ICOS 大會(huì )的批準。7個(gè)站位于德國,法國本土3個(gè),瑞典3個(gè),芬蘭3個(gè),意大利2個(gè)(其中1個(gè)由歐盟委員會(huì )聯(lián)合研究中心運營(yíng)),荷蘭、挪威、瑞士、捷克及留尼汪島各1個(gè),這些大都是配備了高塔可完成多點(diǎn)大氣采樣的大陸或高山站點(diǎn)。



上圖為2020 年前通過(guò)ICOS的數據合規驗證的 23 個(gè)臺站的地圖。顏色顯示站點(diǎn)被標記的時(shí)間:首先是紫色(2017 年 11 月),然后是藍色(2018 年 5 月)、綠色(2018 年 11 月)、粉紅色(2019 年 5 月)和紅色(2019年11 月)



上圖為在 Torfhaus 站 (德國,縮寫(xiě)TOH),編號為 457 的Picarro G2401溫室氣體分析儀一年中每小時(shí)平均值。左側圖為環(huán)境大氣,右側為標準氣體測量值。校準顯示為橙色圓圈。無(wú)效數據用黑色顯示在每個(gè)圖的底部。


下圖為2020年之前23個(gè)通過(guò)ICOS的數據合規驗證(Labeling process)觀(guān)測臺站中,CO2/CH4/CO不確定性和偏差,x 軸為的ICOS 站點(diǎn)名稱(chēng)與分析儀編號,每個(gè)圖中上下兩條黑線(xiàn)顯示了 WMO 兼容性目標。



下表為2020年之前23個(gè)通過(guò)ICOS的數據合規驗證(Labeling process)觀(guān)測臺站中,CO2/CH4/CO溫室氣體分析儀(Picarro G2301或G2401)每年平均漂移監測數據,可以看到Picarro的溫室氣體分析儀在一年的觀(guān)測工作中無(wú)事實(shí)漂移。


NA:未提供數據或使用G2301分析儀

NS:漂移不顯著(zhù)



04

結論

在Camille Yver-Kwok 的文章中,介紹了ICOS 大氣站可確保生成的數據具有高質(zhì)量的數據合規驗證過(guò)程。對于 23 個(gè)合規站點(diǎn)數據中,我們可以得出以下結論: 


  • 定期校準的必要性:WMO的網(wǎng)絡(luò )兼容性與拓展兼容性目標是針對整個(gè)監測系統的,對核心分析儀定期校準,是確保數據質(zhì)量的必要條件;

  • 溫室氣體分析儀漂移性能決定校準頻率:作為監測系統核心的分析儀來(lái)說(shuō),為了達到監測目標,ICOS合規站點(diǎn)所使用的Picarro CRDS分析儀可支持每月兩次的校準頻率;

  • 低漂移的監測系統可以使校準頻率降低,不僅減少了標氣的使用,更重要的是減少了因校準而丟失的測量時(shí)間和數據有效率;

  • 盡管Picarro CRDS分析儀已經(jīng)提供了對環(huán)境水汽濃度小于4% 的溫室氣體測量有效的數值校準,仍然建議所有系統都使用 Nafion 膜或低溫冷阱(- 50 °C 以下);

  • 定期的進(jìn)氣管路測試對于檢測數據失真和泄漏卓有成效。



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