城市已成為全球碳排放研究的熱點區域。

城市溫室氣體移動式測量能提供溫室氣體排放源的具體位置和釋放速率信息，從而幫助決策者制定合理的城市發展規劃及減排政策。

為幫助廣大研究工作者深入了解這一新興科研領域，6月17日，LI-COR應用科學家Dave Johnson、Graham Leggett、George Burba就這一主題和大家分享了城市溫室氣體（CO₂、CH₄、N2O）移動式測量方法，以及這些測量數據的實際應用價值。

在上一期中，Graham Leggett博士給大家講解了由TGA（LI-7810/ LI-7815/ LI-7820）組成的移動式測量平臺。在接下來的報告中，George Burba博士將為大家介紹由另一種氣體分析儀組成的移動式測量平臺，和TGA系列不同，這種分析儀的測量速度更快，功耗更低。

講座內容從下面視頻的30'42"開始。


Stationary concentration 
measurements and mobile monitoring
:using "fast" instrumentation
George Burba
翻譯 | 子毅

謝謝Graham的報告。由于時間的關系，我會簡明扼要的介紹基本概念和應用案例。如果您有任何問題，都歡迎和我們聯系，我們會針對您的具體問題，為您提供定制化的測量解決方案。 

先從快速或者稱為高頻的測量儀開始吧。

這些具快速測量能力的儀器常被整合進渦度相關的測量系統中，用于溫室氣體通量的直接測量。一般來說，這類儀器測量頻率快，可以從10Hz到40Hz。當部署到車載或機載平臺之后，可以得到高分辨率的地圖數據。這類儀器功耗低，適用場合廣泛。
目前有3種不同類型的儀器，這種分類是基于儀器物理結構上的區別而劃分的。第一種是開路式測量系統，氣流能直接通過其測量光路，如下面最左邊的圖（Open Path）；中間這種是傳統的閉路式測量儀，采樣管被安裝在塔頂，采集的氣體通過長管被運送到塔底的分析儀內進行測量；最后一種是現代閉路式測量儀，這類分析儀的進氣管短，使得其測量表現與開路式的旗鼓相當。您可以這樣理解，現代閉路式測量儀兼具了開路式和傳統閉路式測量的優點。
如果基于測量原理劃分，氣體分析儀可劃分為化學（Chemical）、光學（Optical）、電學（Electrical）三類�；瘜W和電學測量方法適用于氣體濃度值高的樣品，而如果氣體濃度值低，目前最主流的測量方法就是光學測量法（Optical）。
氣體分析儀可劃分為化學（Chemical）、光學（Optical）、電學（Electrical）三類

光學測量有兩類，快速和慢速測量。快速測量又有Broadband和Narrowband之分。Broadband意味著，發射源的光譜較寬；Narrowband光源的光譜很窄，通常為各種波長的激光。

Broadband一般分布在紅外光區（Infrared Region），因此常被稱為非色散紅外氣體（NDIR）分析儀或IRGA分析儀，這種類型的分析儀特別適合測量CO₂和H₂O濃度。

大氣中的其他溫室氣體，如CH₄和N2O，就需要用另外的方式來測量。Broadband測量方法采用直接吸收法。激光的測量方法（Narrowband光源）一般不使用直接吸收的方法，通常會利用激光的光譜形變來計算氣體濃度。

下面我們來看一些商用的測量儀器，首先從紅外氣體分析儀開始，例如閉路式的紅外氣體分析儀LI-7200和開路式的紅外氣體分析儀LI-7500。
這兩種類型的氣體分析儀經歷過數次迭代。LI-7500于二十世紀90年代推向市場，LI-7200的出現時間稍晚。設計之初，是為了渦度相關的測量。然而，除了應用于渦度相關，這兩種儀器還可用于大氣濃度廓線、梯度測量，或是冠層光合測量。
除此之外，機載、船載式測量，能實現氣體濃度在地圖上的直觀顯示，如陸地或海洋上方大氣中的CO₂濃度觀測。

這是“Breathe London”項目（詳情請登錄https://www.breathelondon.org）。

LI-7200閉路式CO₂/H₂O分析儀安裝在Google街景汽車上。除此之外，該測量系統中還有NOx、顆粒物、臭氧傳感器。整個倫敦市區還有一個由低成本傳感器組成的觀測網絡。該項目備受關注，照片是倫敦市市長Sadiq Kahn在該項目的發布會現場。
測量數據顯示，CO₂、NOx以及空氣顆粒物排放呈現出很強的一致性，會隨車流的增加而升高。街景汽車上部署的攝像頭和統計軟件可以計算交通車流量。這樣，多圖層數據分析能為城市交通規劃提供理論支持，進而改善城市空氣質量。


下面這款是開路式、采用激光技術測量CH₄濃度的設備——LI-7700。
從圖中，您能看到，LI-7700有多種應用場景，機載、車載均可。LI-7700的采樣頻率能達到40Hz，常被用于渦度相關、土壤溫室氣體釋放測量等研究。


下面我們來看幾個例子。
研究項目位于加州南部海岸空氣質量管理區（South Coast Air Quality Management District），研究者關注空氣質量和相關管理。


這是CH₄的數據圖，這種數據圖可幫助確認CH4的泄露位點，其中紅色路段檢測到的CH4濃度超過50ppm，遠超背景濃度2ppm，意味著在測量地附近存在很強的CH4的泄露。


第二個例子是意大利國家研究委員會的一個項目。您能看到，在機頭，有一個LI-7500 CO₂/H₂O分析儀。在機頭有一個進氣管，氣體被送入飛機內部使用LI-7700測量CH₄濃度。研究者們關注垃圾填埋場的CH₄釋放。


這里是一大片垃圾廢料儲放地，污染程度高。另外，這里還有一個大型的垃圾填埋場。垃圾堆積過程容易引發火災（登錄www.ariasana.org 了解更多）。


鼠標所指的地方是垃圾填埋場，當機載測量設備經過此處時，能觀測到CH₄濃度的強烈升高，濃度超過3.0ppm。和垃圾填埋場的CH4數據類似，在廢物垃圾堆放地，CH₄濃度也會增加，尤其在其下風向處，能測量到4.0ppm以上的濃度。
最后一個例子是LI-7700（5.2kg）的機載測量。研究團隊來自勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory），他們采用這種方式測量濕地生態系統CH₄的季節性排放。


總結一下，當我們對樣地的溫室氣體釋放進行研究時，定點（渦度相關）和移動式測量都能發揮重要作用。
快速測量儀能提供高時空分辨率的數據。開路測量方式使其功耗更低，但同時更容易受到震動和鏡面污染的影響。
在全球范圍內，還有很多團隊做過或正在進行類似研究。這是我們為美國地球物理聯合會AGU制作的海報。


如果您有任何問題，或是想和其中任何一個研究組取得聯系，我們都樂意為您提供幫助！