【热点Focus】温室气体观测的发展与现状小结

发表时间：2023-07-25

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温室气体观测背景

目前，全球已有137个国家通过政策公告或立法提出了碳中和的截止日期。如美国、日本、英国、澳大利亚、加拿大、新西兰、南非，已经承诺到2050年实现碳中和（IPCC,2019）。德国等一些国家已经将其碳中和期限提前到2045年（IPCC,2019）。由于大多数发达国家已经达到了碳排放峰值，只需要继续原有的温室气体减排战略即可实现其碳中和目标，因此其碳减排任务相对容易实现（IPCC,2019）。尽管中国目前的碳排放总量仍在增加，但仍然承诺实现“2030年达到碳峰值，到2060年实现碳中和”的目标。“双碳”目标下，温室气体观测及监测的重要性无可厚非，特别是观测网络的组建将提升我国气候变化监测评估能力，持续为碳达峰、碳中和行动提供科学的数据支撑。下文将主要介绍国际温室气体观测的发展历史及主流观测方法。

温室气体观测历史

1957年，美国国家海洋和大气管理局(NOAA)在夏威夷的莫纳罗亚(155.6°W，19.5°N) 基于非色散红外光谱(NDIR)技术开始对大气中温室气体进行第一次原位持续监测。随后，NOAA将大气温室气体的持续常规监测扩展到巴罗(156.6°W，71.3°N)、美属萨摩亚(170.6°W，14.2°S)和南极(59.0°E，90.0°S)。四个监测站长时间序列的温室气体监测结果显示，在过去的50年里，全球大气中的二氧化碳气体浓度逐年增加（图1）。

图1：莫纳罗亚、巴罗、美属萨摩亚和南极监测站观测的二氧化碳浓度长期变化趋势

此外，由世界气象组织(WMO)组建的全球大气观测网络(GAW)，测量了一些地面和塔基观测站的大气温室气体（图2）。目前，在中国境内运营着纳入WMO/GAW的1个全球大气本底站--瓦里关站（100.9°E，36.3°N）和3个区域观测站，分别为临安（119.7°E，30.3°N）、龙凤山（127.6°E、44.7°N）和上甸子（117.2°E，40.7°N）。大多数WMO/GAW地面和塔基观测站都使用光腔衰荡光谱 (CRDS）仪器来进行温室气体的高精度测量。此外，WMO/GAW还进行全球大气温室气体的空中原位监测（图2）。这些机载测量活动包括洲际化工运输实验-北美活动(INTEX-NA)和2004-2005年在美国上空进行的缅因州二氧化碳收支与矫正机载实验（COBRA-ME）；2006年澳大利亚上空进行的热带暖池国际云试验(TWP-ICE) 等等。

图2：由NOAA和WMO组织的全球温室气体监测网络

在过去二十年中，对整个大气柱浓度进行测量的光学遥感技术得到了快速的发展，并被证明这是一种非常有价值的监测大气温室气体浓度的技术。因此世界各国设计并发射了具有不同时空分辨率的卫星用于推导温室气体的全球分布，包括欧洲航天局(ESA)的SCIAMACHY和TROPOMI、来自日本的GOSAT和GOSAT-2、来自美国的OCO-2 和 OCO-3、中国的TanSat和Gaofen-5 (GF-5) 系列卫星和来自加拿大的GHGSat。这些卫星主要通过红外光栅或傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)来测量温室气体的总柱浓度。其中GOSAT和OCO-2对XCO2（大气二氧化碳柱浓度）的测量精度分别为1-2ppm和约等于1ppm（或0.25%）。利用卫星数据进行的研究已经得出了特大城市或更大地区规模的人为二氧化碳通量估计，最近还扩大了对单个设施(如单个发电厂)二氧化碳排放量的估计。

地面高分辨率FTIR光谱仪是推导温室气体总柱浓度和剖面浓度的有力工具，总碳柱观测网络(TCCON)和大气成分变化探测网络-红外工作组(NDACC-IRWG)都使用了高分辨率FTIR光谱仪(主要由德国Bruker生产的IFS120HR/IFS125HR系列光谱仪)来观察温室气体和大气污染物的总柱浓度和剖面浓度。TCCON/NDACC-IRWG网络自2004/1992年开始运行，并提供长时间序列下的多种温室气体观测结果。这些观测结果已被广泛应用于碳循环、碳源和碳输运、卫星验证、遥感算法开发和大气CTMs评估等方面。目前，全球只有大约30个 TCCON/数字网络联合站点，大多分布在欧洲和北美（图3），中国仅建立了两个TCCON站，即合肥站(117.2°E，32.0°N)和香河站(116.96°E，39.75°N)。

除了基于网络的常规观察外，在全球范围内还有许多以研究为导向的温室气体监测活动。这些测量基于各种类型的平台如机载、走航、站点等，使用CRDS、NDIR光谱、连续积分腔输出光谱(OA-ICOS)、气相色谱和火焰电离检测(GC/FID)、FTIR光谱学或差分吸收激光雷达(DIAL)技术进行。

总体而言，国际社会已经建立了一系列的监测网络来测量不同时空尺度下的温室气体。由于所有温室气体都在红外波段有光谱吸收的特征，这些监测网络大多基于各种光谱仪器建立。这些立体监测网络结合了排放清单的编制和综合监测系统，形成了最先进的温室气体监测和评估系统，被《联合国气候变化框架公约》(《气候公约》)广泛用于评估全球、国家和区域范围的温室气体排放，并确定是哪个排放部门，以及各自温室气体排放的数量。

本文内容主要摘自安徽师范大学环境光学与技术重点实验室孙友文等学者近期发表的文献：Monitoring greenhouse gases (GHGs) in China: status and perspective.

想要了解更多内容请查看原文，原文链接：https://doi.org/10.5194/amt-2022-191

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