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【熱點(diǎn)Focus】溫室氣體觀(guān)測的發(fā)展與現狀小結

發(fā)表時(shí)間:2023-07-25瀏覽量:109


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溫室氣體觀(guān)測背景

 

目前,全球已有137個(gè)國家通過(guò)政策公告或立法提出了碳中和的截止日期。如美國、日本、英國、澳大利亞、加拿大、新西蘭、南非,已經(jīng)承諾到2050年實(shí)現碳中和(IPCC,2019)。德國等一些國家已經(jīng)將其碳中和期限提前到2045年(IPCC,2019)。由于大多數發(fā)達國家已經(jīng)達到了碳排放峰值,只需要繼續原有的溫室氣體減排戰略即可實(shí)現其碳中和目標,因此其碳減排任務(wù)相對容易實(shí)現(IPCC,2019)。盡管中國目前的碳排放總量仍在增加,但仍然承諾實(shí)現“2030年達到碳峰值,到2060年實(shí)現碳中和”的目標?!半p碳”目標下,溫室氣體觀(guān)測及監測的重要性無(wú)可厚非,特別是觀(guān)測網(wǎng)絡(luò )的組建將提升我國氣候變化監測評估能力,持續為碳達峰、碳中和行動(dòng)提供科學(xué)的數據支撐。下文將主要介紹國際溫室氣體觀(guān)測的發(fā)展歷史及主流觀(guān)測方法。

 

 

溫室氣體觀(guān)測歷史

 

1957年,美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)在夏威夷的莫納羅亞(155.6°W,19.5°N) 基于非色散紅外光譜(NDIR)技術(shù)開(kāi)始對大氣中溫室氣體進(jìn)行第一次原位持續監測。隨后,NOAA將大氣溫室氣體的持續常規監測擴展到巴羅(156.6°W,71.3°N)、美屬薩摩亞(170.6°W,14.2°S)和南極(59.0°E,90.0°S)。四個(gè)監測站長(cháng)時(shí)間序列的溫室氣體監測結果顯示,在過(guò)去的50年里,全球大氣中的二氧化碳氣體濃度逐年增加(圖1)。

 

圖1:莫納羅亞、巴羅、美屬薩摩亞和南極監測站觀(guān)測的二氧化碳濃度長(cháng)期變化趨勢

 

此外,由世界氣象組織(WMO)組建的全球大氣觀(guān)測網(wǎng)絡(luò )(GAW),測量了一些地面和塔基觀(guān)測站的大氣溫室氣體(圖2)。目前,在中國境內運營(yíng)著(zhù)納入WMO/GAW的1個(gè)全球大氣本底站--瓦里關(guān)站(100.9°E,36.3°N)和3個(gè)區域觀(guān)測站,分別為臨安(119.7°E,30.3°N)、龍鳳山(127.6°E、44.7°N)和上甸子(117.2°E,40.7°N)。大多數WMO/GAW地面和塔基觀(guān)測站都使用光腔衰蕩光譜 (CRDS)儀器來(lái)進(jìn)行溫室氣體的高精度測量。此外,WMO/GAW還進(jìn)行全球大氣溫室氣體的空中原位監測(圖2)。這些機載測量活動(dòng)包括洲際化工運輸實(shí)驗-北美活動(dòng)(INTEX-NA)和2004-2005年在美國上空進(jìn)行的緬因州二氧化碳收支與矯正機載實(shí)驗(COBRA-ME);2006年澳大利亞上空進(jìn)行的熱帶暖池國際云試驗(TWP-ICE) 等等。

 

圖2:由NOAA和WMO組織的全球溫室氣體監測網(wǎng)絡(luò )

 

在過(guò)去二十年中,對整個(gè)大氣柱濃度進(jìn)行測量的光學(xué)遙感技術(shù)得到了快速的發(fā)展,并被證明這是一種非常有價(jià)值的監測大氣溫室氣體濃度的技術(shù)。因此世界各國設計并發(fā)射了具有不同時(shí)空分辨率的衛星用于推導溫室氣體的全球分布,包括歐洲航天局(ESA)的SCIAMACHY和TROPOMI、來(lái)自日本的GOSAT和GOSAT-2、來(lái)自美國的OCO-2 和 OCO-3、中國的TanSat和Gaofen-5 (GF-5) 系列衛星和來(lái)自加拿大的GHGSat。這些衛星主要通過(guò)紅外光柵或傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)來(lái)測量溫室氣體的總柱濃度。其中GOSAT和OCO-2對XCO2(大氣二氧化碳柱濃度)的測量精度分別為1-2ppm和約等于1ppm(或0.25%)。利用衛星數據進(jìn)行的研究已經(jīng)得出了特大城市或更大地區規模的人為二氧化碳通量估計,最近還擴大了對單個(gè)設施(如單個(gè)發(fā)電廠(chǎng))二氧化碳排放量的估計。

 

地面高分辨率FTIR光譜儀是推導溫室氣體總柱濃度和剖面濃度的有力工具,總碳柱觀(guān)測網(wǎng)絡(luò )(TCCON)和大氣成分變化探測網(wǎng)絡(luò )-紅外工作組(NDACC-IRWG)都使用了高分辨率FTIR光譜儀(主要由德國B(niǎo)ruker生產(chǎn)的IFS120HR/IFS125HR系列光譜儀)來(lái)觀(guān)察溫室氣體和大氣污染物的總柱濃度和剖面濃度。TCCON/NDACC-IRWG網(wǎng)絡(luò )自2004/1992年開(kāi)始運行,并提供長(cháng)時(shí)間序列下的多種溫室氣體觀(guān)測結果。這些觀(guān)測結果已被廣泛應用于碳循環(huán)、碳源和碳輸運、衛星驗證、遙感算法開(kāi)發(fā)和大氣CTMs評估等方面。目前,全球只有大約30個(gè) TCCON/數字網(wǎng)絡(luò )聯(lián)合站點(diǎn),大多分布在歐洲和北美(圖3),中國僅建立了兩個(gè)TCCON站,即合肥站(117.2°E,32.0°N)和香河站(116.96°E,39.75°N)。

 

除了基于網(wǎng)絡(luò )的常規觀(guān)察外,在全球范圍內還有許多以研究為導向的溫室氣體監測活動(dòng)。這些測量基于各種類(lèi)型的平臺如機載、走航、站點(diǎn)等,使用CRDS、NDIR光譜、連續積分腔輸出光譜(OA-ICOS)、氣相色譜和火焰電離檢測(GC/FID)、FTIR光譜學(xué)或差分吸收激光雷達(DIAL)技術(shù)進(jìn)行。

 

總體而言,國際社會(huì )已經(jīng)建立了一系列的監測網(wǎng)絡(luò )來(lái)測量不同時(shí)空尺度下的溫室氣體。由于所有溫室氣體都在紅外波段有光譜吸收的特征,這些監測網(wǎng)絡(luò )大多基于各種光譜儀器建立。這些立體監測網(wǎng)絡(luò )結合了排放清單的編制和綜合監測系統,形成了最先進(jìn)的溫室氣體監測和評估系統,被《聯(lián)合國氣候變化框架公約》(《氣候公約》)廣泛用于評估全球、國家和區域范圍的溫室氣體排放,并確定是哪個(gè)排放部門(mén),以及各自溫室氣體排放的數量。

 

 
 

 

本文內容主要摘自安徽師范大學(xué)環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室孫友文等學(xué)者近期發(fā)表的文獻:Monitoring greenhouse gases (GHGs) in China: status and perspective.

 

想要了解更多內容請查看原文,原文鏈接:https://doi.org/10.5194/amt-2022-191

 

 

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