气象温湿量仪

减污降碳一直是我国的重点工作。习近平在2023年全国生态环境保护大会上强调，要积极稳妥推进碳达峰碳中和，落实好碳达峰碳中和“1+N”政策体系等。最近印发的《深化碳监测评估试点工作方案》中提到，我国2022年基本完成试点工作，到2025年基本建成碳监测评估体系。随着国家“碳达峰”和“碳中和”战略的实施，温室气体的准确监测与评估将成为降碳目标的根本前提。随着一系列政策法规的出台，以及温室气体监测试点城市项目的开展，温室气体监测市场逐渐增大，国产仪器研发力度也不断加大。为了了解当前温室气体监测技术、市场现状，以及相关监测设备的研发进展等，仪器信息网围绕“温室气体监测技术与市场”主题开展约稿活动。本次我们邀请到来自中国气象科学研究院的汤洁研究员，请他介绍温室气体测量技术的发展与应用。内容如下：温室气体测量技术的发展与应用中国气象局 汤洁近十年余来，在应对气候变化带来的温室气体监测迫切需求促进下，随着高分辨率光谱探测技术的进步和应用，市场上出现了一些新的温室气体测量技术和设备，呈现迅速取代非色散红外法、色谱法等原有主流测量技术地位的趋势，其中最多见的测量仪器有：CRDS（光腔衰荡光谱法）、OA-ICOS（离轴积分增强输出光谱法）、FTIR（傅里叶变换红外光谱法）等。这三种技术均基于近/中红外的高分辨率吸收光谱的测量原理，具有精度高、时间分辨率高、响应快速稳定、使用便捷等优势特点，前两种技术的特点为近或中红外激光光源的单吸收峰窄带光谱测量，后一种则为宽带多吸收峰中红外光谱测量，两者各自在光源强度和光谱稳定性上具有相对优势。国外已推出的商用仪器总体测量性能均能满足世界气象组织（WMO）和欧洲综合碳观测系统（ICOS）的技术要求，因而在国内的许多科研业务单位已获得采购应用。但是，这些新仪器设备因其工作原理特点，在使用上需要特别注意以下2个问题，才能真正发挥这些仪器的优势特点，获得精准的测量数据。首先是水汽干扰的问题。一般认为，高分辨率光谱测量技术可以更加准确地区分不同物种的指纹光谱吸收，因而可以完全排除水汽等非目标物种的吸收峰干扰，但是实则并不尽然。根据文献报道，水汽（在近/中红外区吸收最强）对温室气体高分辨率光谱测量的干扰影响包括以下四种方式：1）稀释效应（即在计算温室气体物种的干空气混合比时，必须扣除水汽含量）；2）水汽吸收峰的干扰；3）吸收峰展宽的影响；4）临近吸收峰展宽后的干扰。前两种干扰和影响的物理因素较为简单，而后两种干扰源自于分子间相互作用的结果，对光谱解析计算的影响较为复杂，尤其是对单吸收窄带光谱测量的技术而言，影响更为显著一些。这些干扰因素对于高精度温室气体测量来说是不可忽视的，目前唯一的解决办法是在进气系统中加入除水器件，将环境空气的露点温度降低到一个可接受的范围，WMO在2015年曾建议将进气露点温度控制在-30℃以下（即水汽含量低于500ppm）。除水的方法有冷阱除水、溶蚀管除水、化学除水，三种方法既可以单独使用也可以组合使用。第二个需要注意的是同位素体“盲视”（或“歧视”）问题。如，二氧化碳存在16O12C16O、16O13C16O、17O12C16O、18O12C16O等多种稳定同位素体，还包括14C等非稳定同位素体。不同同位素体的分子吸收光谱是不一样的，因此高分辨率光谱测量将不同种的同位素体作为不同的“物种”来测量，对二氧化碳而言一般是只测量16O12C16O，而对其它同位素体是完全“盲视”的。相对而言，传统的非色散红外法、色谱法技术不存在同位素体“盲视”（或“歧视”）效应，或者可忽略。由于大气二氧化碳中的碳-13同位素丰度受化石燃料排放等影响而存在季节变化和长期趋势，同位素体“盲视”效应的存在可能影响高精度温室气体测量结果，在温室气体标准制备、量值传递过程中，也需要格外重视同位素体“盲视”效应可能带来的系统性干扰和影响。除本文提及的三种高分辨率光谱温室气体测量技术外，国外还不断有新技术研发的报道，国内一些科研单位和企业也在密切跟踪国际最新技术的进展，自主研发国产测量仪器。作者衷心期待更加先进、可靠、自主创新的国产技术装备出现，为构建我国技术自主的温室气体监测网络做出贡献，提供关键的基础数据支撑，为我国“双碳”战略保驾护航。作者简介：汤洁 研究员中国气象科学研究院中国气象科学研究院研究员，硕士生导师，长期从事大气化学观测研究，2018年退休。曾作为归国留学生代表获江泽民主席接见，入选国家“百千万人才计划”第二层次人才，获国务院特殊津贴奖励，在全球大气化学计划、全国环境学会、气象学会中担任学术任职，任世界气象组织全球大气监测计划（WMO-GAW）运行专家组（OG）成员和中方国家联络人，负责瓦里关本底台的国际援助项目和业务建设，先后4次赴南、北极科考。在国内外学术刊物上发表论文百余篇，译著一篇，编写国家标准2份及气象行业标准多份。

12月1日上午，中国气象局举行12月新闻发布会，发布《2022年中国温室气体公报》。中国气象局科技与气候变化司副司长张兴赢在会上介绍称，截至目前，中国气象局已建成117个高精度温室气体观测站。12月1日，中国气象局发布《2022年中国温室气体公报(总第12期)》。张兴赢指出，温室气体减排是全球应对气候变化的重要手段，昨日，联合国气候变化框架公约第28次缔约方大会(COP28)在迪拜召开，本次大会将开展《巴黎协定》签署以来的首次全球盘点。11月15日中美双方发表了关于加强合作应对气候危机的阳光之乡声明，两国元首在会谈中强调当下关键十年中美共同加快努力应对气候危机的重要性，未来全球将在气候变化的适应、减缓等领域开展务实合作，合力应对全球气候变化带来的风险与挑战。世界气象组织发布的公报指出，2022年全球大气主要温室气体浓度继续突破有仪器观测以来的历史纪录，二氧化碳、甲烷和氧化亚氮的浓度分别达到417.9±0.2 ppm、1923±2 ppb、335.8±0.1 ppb，相比2021年，2022年大气二氧化碳浓度增幅约2.2 ppm，大气甲烷和氧化亚氮浓度增幅分别达16 ppb和1.4 ppb。报告指出，全球二氧化碳浓度比工业化前平均水平高出50%，但其增长率略低于前一年和前十年的平均水平，这很可能是由于碳循环的自然、短期变化造成。尽管科学界对气候变化及其影响已有广泛的了解，但关于碳循环以及海洋、陆地生物圈和多年冻土区的碳通量仍存在一定不确定因素。因此，今年6月第19届世界气象大会批准建立新的全球温室气体监测计划，把所有天基和地基观测系统以及建模和数据同化能力集中在一起，提供一个综合的、可操作的框架，以便能够说明与人类活动有关的温室气体排放以及自然的源和汇，为应对气候变化的《巴黎协定》的实施提供重要信息和支持。中国气象局非常高度重视温室气体监测工作，从20世纪80年代开始，就在瓦里关建立了全球大气本体观测站，陆续建成了由1个全球大气本底站和6个区域大气本底站组成的大气本底观测站网。实现对《京都议定书》管控的7大类30余种温室气体观测，形成了观测-运行监控-维护标校-质量控制-应用分析等于一体的温室气体本底观测业务体系。自20世纪90年代初开始在青海瓦里关全球大气本底站开展甲烷观测，2009年起逐步在其他区域本底站建立在线观测业务，积累了我国最长序列的高精度甲烷观测资料。“截至目前，中国气象局已建成117个高精度温室气体观测站。”张兴赢称，为了进一步强化全球温室气体监测能力，2016年起，我国陆续发射了5颗具备全球大气二氧化碳监测能力的卫星。“近日，也就是19号启动了面向碳盘点的下一代全球碳监测科学实验卫星项目。经过多年的建设与发展，当前我国已初步形成天、空、地一体化的温室气体立体观测能力。”未来，中国气象局还将进一步提升观测能力，形成覆盖我国16个气候关键区并辐射全球主要纬度带的全要素温室气体本底观测骨干网。并计划于2025年发射风云3号气象卫星08星，这颗星将搭载更高性能的全球温室气体监测仪器。“下一步，我国将基于先进高精度的天空地一体化的全球温室气体观测数据，来支持和发展完善我国自主的全球碳源汇监测核校支撑系统，为应对全球气候变化、顺利实现我国碳达峰目标和碳中和愿景提供科技支撑。”

自主可控，观测精密——中国气象局“温室气体观测关键技术研发及应用”青年创新团队（以下简称“创新团队”）为推动我国温室气体观测事业的发展而努力。紧紧围绕《气象高质量发展纲要（2022—2035年）》的统筹规划，面向气象高质量发展对温室气体站网建设、能力提升和质量加强的业务服务要求，针对国家双碳战略的重要决策部署，为精确评估我国减排成效并“摸清家底”，在精密观测和技术自主创新方面狠下功夫。创新团队由来自青海、浙江、广东、黑龙江等省气象局、中国气象局广州热带海洋气象研究所以及复旦大学的20名青年组成。汇集了各单位的业务专业知识以及来自科研、高校、企业等优势资源，致力于温室气体观测关键技术的研发和应用，以推动我国温室气体观测事业发展。该团队从我国温室气体观测面临的主要问题出发，包括由于观测装备国产化不足限制大规模开展、二氧化碳/甲烷缺乏国家计量基准、观测主要在近地面垂直观测资料缺乏、温室气体浓度时空变化机制研究不够深入等，设立了四个方面共计12项任务，努力推动装备自主、计量可控、观测立体、数据可靠、服务有效。这些任务旨在解决现有观测体系存在的瓶颈，推动温室气体观测技术的创新和进步。为确保研发工作的顺利进行，创新团队依托于中国气象局大气探测中心，并根据《联合国气候变化框架公约》等对温室气体基础设施和数据产品的要求，建立了高精度温室气体装备测试平台、运行监控和数据质控平台、标气管理和标准平台等业务信息化平台，为团队的工作提供了强有力的支持，保障了观测装备的精确性和可靠性。该团队在温室气体观测的立体化方法和技术上重点着力。为了弥补垂直观测资料相对较少这一不足，创新团队利用高山观测站和气象探空等平台，开展了大规模的垂直观测。以此成功获取了不同高度上的温室气体浓度和变化趋势数据，为气候模型和减排政策提供了重要依据。针对观测装备的需求，该团队进行了深入研究和探索，在光腔衰荡法国产高精度温室气体分析主机噪声降低技术取得新进展。针对国产光腔衰荡法国产高精度温室气体分析主机艾伦方差所示低频噪声较大的问题，使用多手段降低衰荡时间不确定度。采用三角环形腔极大提升有效光程，进而提升整体精度；通过抑制高阶模引入的拍频噪声，利用稳频技术压窄激光线宽等方法降低背景噪声，提升信噪比，降低探测不确定度。目前，已在两个大气本底站国产光腔衰荡法国产高精度温室气体分析主机开展观测试验。该团队完成了低干扰进气除水系统的集成、测试和应用示范。结合大气本底站业务运行和维修维护经验，采用低露点无尘压缩气源、无损渗透除湿干燥管、集成组装式电磁阀组、定制低泄率无油隔膜泵、小型化气体流量计、压力传感器等多项新技术、新装置，优化了气路结构设计，形成集成紧凑的预处理系统。目前，已在浙江省多个温室气体观测站开展应用示范。此外，该团队还完成基于小型无人机的园区观测试验预研工作。10月，在上海东滩湿地公园完成两个航次500米以下的温室气体垂直廓线研究，获得初步的甲烷浓度廓线。针对超级排放源园区，确定大致羽流分布和羽流横截面浓度分布，制定观测实验方法。该团队非常注重成果的应用与推广，将研究成果及时转化为实际应用，为温室气体减排和环境保护提供技术支持。在温室气体观测关键技术的研发和应用方面取得了重要的进展。这些成果不仅推动了我国温室气体观测事业的发展，还为温室气体减排和环境保护作出了重要贡献。