溫室氣體監測技術現狀和發展趨勢

夏暉暉，闞瑞峰

（中國科學院合肥物質科學研究院安徽光學精密機械研究所，合肥 230031）

1 背景需求

2021 年8 月，聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）公布了第六次評估報告（IPCC AR6）。報告指出，工業革命后過多的溫室氣體排放已對地球環境造成了嚴重危害。報告顯示，由于溫室效應的影響，與工業化前的氣溫記錄相比，目前全球平均升溫約為1.1℃，在未來20 年內，全球升溫或將超過1.5℃[1]。全球升溫1.5℃時，熱浪將增加，暖季將延長，冷季將縮短，進而會對自然生態系統產生嚴重影響，造成如異常氣候頻發、海平面升高、冰川退縮、凍土融化、中高緯生長季節延長、動植物分布范圍向極地和高海拔區延伸等現象[2]。

《京都議定書》中規定控制的6 種溫室氣體為：二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、氫氟碳化合物（HFCs）、全氟碳化合物（PFCs）、六氟化硫（SF6），其中后三種氣體造成溫室效應的能力最強，但從對全球升溫的貢獻百分比來說，CO2、CH4和N2O 三大主要溫室氣體所占比例最大，它們對全球變暖的總體貢獻比例占到77%，濃度也呈現逐年升高的趨勢（見下表）[3]。大氣中的CO2是三大主要溫室氣體中濃度最高的一種，也是對溫室效應貢獻最大的氣體，在大氣中滯留的時間為50—200 年。大氣中CH4和N2O 的濃度雖然遠小于CO2，但CH4的增溫潛勢是CO2的21 倍、N2O 的增溫潛勢是CO2的310 倍。大氣中CO2、CH4和N2O 是目前溫室氣體監測的主要對象，也是當前世界各國控制減排的主要溫室氣體組分。

三種主要溫室氣體的濃度變化、增溫潛勢、對全球變暖的貢獻及其在大氣中的滯留時間

溫室氣體監測是研究溫室氣體濃度變化趨勢，以及溫室氣體源和匯的構成、性質和強度等的基礎[4]，也是溫室效應評價的依據和制定減排措施的標尺。溫室氣體監測技術是全面掌握溫室氣體排放及其環境、氣候效應，預測其未來變化的重要保障。發展溫室氣體監測儀器國產化技術也是構建國家生態環境監測體系的重要組成部分。此外，隨著“雙碳”目標的提出，溫室氣體的準確監測與評估將成為實現“雙碳”目標的根本前提。

由于溫室氣體排放存在較大的時空變化特征，為了進行準確的排放估算，必須揭示溫室氣體排放的日變化、季節變化和空間變化的規律性，這就需要時間分辨率高、監測尺度廣、準確度高、能夠長時間連續觀測的自動監測技術和儀器[5]?？偟膩碚f，目前的溫室氣體監測，需要從點源、面源、區域、全球等不同空間尺度開發天地一體化高靈敏時空監測技術。

2 研究現狀

目前主流的溫室氣體監測技術是以光和氣體組分的相互作用為物理機制，根據目標組分的特征光譜，借助光譜解析算法，再結合光機電算工程技術，實現溫室氣體濃度在不同時間、空間、距離下的非接觸定量反演[6]。常見的溫室氣體光譜學檢測技術主要包括非分散紅外光譜技術（NDIR）、傅立葉變換光譜技術（FTIR）、差分光學吸收光譜技術（DOAS）、差分吸收激光雷達技術（DIAL）、可調諧半導體激光吸收光譜技術（TDLAS）、離軸積分腔輸出光譜技術（OAICOS）、光腔衰蕩光譜技術（CRDS）、激光外差光譜技術（LHS）、空間外差光譜技術（SHS）等。其中，NDIR 利用氣體分子對寬帶紅外光的吸收光譜強度與濃度成正比的關系進行溫室氣體反演，具有結構簡單、操作方便、成本低等優點，但儀器的光譜分辨率和檢測靈敏度較低；FTIR 通過測量紅外光的干涉圖，并對干涉圖進行傅立葉積分變換，從而獲得被測氣體紅外吸收光譜，實現多種組分同時監測，適用于溫室氣體的本底、廓線和時空變化測量及其同位素探測，但儀器系統較為復雜，價格較昂貴；DOAS 是一種寬帶光譜檢測技術，能夠實現多氣體組分探測，儀器光譜分辨率較低，易受水蒸氣和氣溶膠的影響；DIAL是一種利用氣體分子后向散射效應進行氣體遙感探測的光譜技術，具有高精度、遠距離、高空間分辨等優點，系統較為復雜，成本較高；TDLAS 利用窄線寬的可調諧激光光源，可完整掃描到氣體分子的一條或幾條吸收譜線，具有響應速度快、靈敏度高、光譜分辨率高等優勢，能夠實現溫室氣體原位點式和區域開放式探測，對于多氣體組分探測通常需要多個激光器的復用來實現；CRDS 和OA-ICOS 技術均屬于小型化的氣體原位探測技術，在溫室氣體監測方面，能夠實現很高的檢測靈敏度，成本比TDLAS 要高；LHS和SHS 都屬于高精度、高光譜分辨的氣體檢測技術，適用于溫室氣體的柱濃度或垂直廓線探測，可用于地基和星載大氣探測領域。

雖然光譜學檢測技術的原理各不相同，但基本都是基于溫室氣體在紅外波段的特征吸收光譜來進行濃度反算的，針對不同的應用場景，綜合上述技術的測量優勢，可以實現多空間尺度、多時間尺度、多氣體組分的連續自動監測，滿足生態、環境、氣候研究對溫室氣體排放監測的多樣需求。

在溫室氣體高靈敏探測技術方面，以美國Picarro、ABB 為代表的氣體分析儀器公司，開發了高性能的CRDS、OA-ICOS 氣體檢測儀器，在大氣背景站、高原科考及其他溫室氣體高精度測量需求領域占據了絕對市場份額。在溫室氣體柱總量及垂直廓線探測方面，德國Bruker 超高分辨FTIR 地基遙感是全球碳柱總量觀測網（TCCON）等組織全球碳排放觀測的主要技術方案；德國航空航天中心利用星載DIAL實現了三種主要溫室氣體的高精度遙感探測；LHS地基/星載溫室氣體探測是美國航空航天局（NASA）發展部署中的技術方案，相關產品的工程化和應用水平處于國際領先地位。在溫室氣體區域分布航測和排放源遙測評估方面，德國不萊梅大學開展了基于SCIAMACHY 衛星和機載WFMDOAS 的算法及系統集成研究。目前我國在溫室氣體監測技術研究方面開展了大量工作，一些產品儀器也實現了產業化推廣，包括原位點式TDLAS 溫室氣體監測儀、開放光路長光程TDLAS 溫室氣體測量儀、機載高靈敏CRDS 溫室氣體分析儀、原位點式高精度OA-ICOS 溫室氣體分析儀和溫室氣體SHS 衛星監測載荷等，代表性研究單位包括中國科學院安徽光學精密機械研究所（以下簡稱安徽光機所）、中國科學技術大學、國防科技大學、山西大學、南京信息工程大學等。由于起步較晚，我國的溫室氣體高端分析儀器在性能上，尤其是在測量精度、環境適應性和長期穩定性等技術指標方面，與發達國家還存在一定差距。

3 技術應用

大氣中CO2、CH4、N2O 三種溫室氣體的特征吸收光譜主要位于近紅外和中紅外光波段，其中近紅外波段波長為0.78—2.5μm，對應于氣體分子的“泛頻”吸收譜帶，而中紅外波段波長為2.5—25μm，對應于氣體分子的“基頻”吸收譜帶[3]，吸收強度要明顯高于近紅外波段，適用于超低濃度痕量氣體分子的高靈敏檢測。

針對目前溫室氣體多目標場景監測需求，研究人員開展了不同形式的探測方法進行研究，主要包括地面探測[7，8]、地基探測[9，10]、機載探測[11，12]和星載探測[13]，綜合運用各種吸收光譜技術和儀器，通過掃描獲取溫室氣體紅外波段的特征吸收光譜，經過光電信號轉換、光譜信號采集、濃度算法解析、軟件數據處理等技術過程，能夠實現溫室氣體多組分高靈敏時空分辨觀測。溫室氣體典型監測應用場景見圖1。

圖1 溫室氣體典型監測應用場景圖

3.1 地面探測

在人為溫室氣體排放中，地面點源排放占比最高。典型的點源排放主要包括火電、鋼鐵、石化、化工等重點行業固定點源及高架點源等工業點源排放。此外，城市也是CO2的主要來源，包括地面交通、城市餐飲集中區等典型城市點源排放，廢棄物處理行業的廢棄物填埋場和污水處理過程點源排放，以及農林畜牧養殖業點源排放等。

地面點源溫室氣體監測分為原位點式探測和開放光路區域式探測兩種方式，代表性檢測技術有NDIR、TDLAS、CRDS、OA-ICOS 和FTIR。原位點式探測儀器的內部設計有密封式或開放式吸收池，面向的是環境中特定位置或密閉艙室內的溫室氣體監測，儀器便攜性好，可以通過移動監測儀器實現不同點位的溫室氣體原位探測，適用于小范圍區域的氣體排放監測，具有代表性的檢測儀器包括美國Licor 公司生產的NDIR 便攜式CO2分析儀、Picarro 公司生產的CRDS 高精度CO2/CH4/N2O 分析儀、安徽光機所研制的OA-ICOS 高精度CO2/CH4分析儀等。開放光路區域式探測儀器利用一對收發光學端，用于開放區域下的溫室氣體監測，適用于幾十米至幾百米范圍的較大空間尺度監測，具有代表性的檢測儀器包括安徽藍盾光電子股份有限公司生產的TDLAS 開放光路長光程CO2/CH4分析儀和安徽光機所研制的FTIR 開放光路CO2/CH4分析儀。原位點式CRDS 監測儀見圖2。區域開放式TDLAS 監測儀見圖3。

圖2 原位點式CRDS 監測儀外形圖

圖3 區域開放式TDLAS 監測儀外形圖

3.2 地基探測

地面探測可以實現溫室氣體濃度的高精度在線測量，但測量結果容易受到地表、下墊面地形及垂直氣團傳輸的影響，并且無法獲取大氣痕量氣體垂直廓線分布數據。地基遙感利用地基儀器實時采集直射太陽光，對采集的太陽光譜進行反演，進而獲得自地表到大氣層頂的溫室氣體垂直柱濃度。與地面探測不同的是，地基遙感測量得到的如CO2等溫室氣體的垂直柱濃度對氣團的垂直傳輸不敏感[14]。地基遙感監測結果能夠為溫室氣體時空分布、變化特征、區域排放等研究提供可靠的觀測數據。

溫室氣體地基遙感探測的典型方法是高分辨率的FTIR，監測波段主要位于近紅外4000—11 000cm-1波段，光譜分辨率可高達0.009 5cm-1，具有高精度、高準確性及連續測量等優勢，但高分辨的地基FTIR 也具有相對較大的設備體積，建設成本較高。目前，TCCON 就是基于地基高分辨率FTIR 光譜儀（FTS）的觀測平臺，探測多種大氣溫室氣體的柱總量和垂直廓線，主要組分包括CO2、CH4、N2O、一氧化碳（CO）、水（H2O）、水同位素（HDO）。該網絡建立了嚴格的數據采集與反演標準，可用于研究全球的碳循環，也可為衛星的校準提供標準數據庫。目前TCCON 在全球已有20 多個站點，我國的安徽光機所和大氣物理所分別建設的合肥站與香河站已經成為TCCON 標準站，可為我國在降碳方面的研究提供可測量、可驗證的技術支撐。圖4—圖6 為TCCON 合肥站高分辨率FTS 觀測系統及合肥地區2015—2018 年CO2濃度時間序列圖，包含日變化、季節變化和年變化數據[14]。

圖4 高分辨率光譜儀外形圖

圖5 太陽跟蹤儀外形圖

圖6 合肥地區CO2 濃度曲線圖

3.3 機載探測

溫室氣體的機載高空探測主要是利用飛機、無人機或氣球搭載氣體測量儀器，在空中每個層高上對氣體進行檢測，或將每個層高的氣體采樣后到實驗室進行測量，具有靈活性高、機動性強、監測面積大等優點。機載溫室氣體探測是對溫室氣體垂直廓線的直接測量，其結果具有更高的垂直分辨率與檢測精度。通過近地面機載觀測不僅能夠精準穩定獲取空間信息，而且能夠彌補野外站點觀測在空間連續性、區域一致性及觀測精度上的不足，解決衛星遙感時空分辨率過低及與地面監測校準尺度不匹配的問題，是溫室氣體監測的一項重要輔助手段。

溫室氣體機載高空探測主要包含機載DIAL、機載FTIR、機載/球載TDLAS、機載/球載CRDS。NASA的研究人員在飛機上搭載一套DIAL 系統，實現了10km 高空處的CO2柱濃度檢測[15]。安徽光機所采用一架Y12 型飛機，飛行高度保持在1km，在山東半島地區開展了機載FTIR 高空CO2、CO 及N2O的觀測，飛行路線覆蓋了裸土、沙灘、植被、海水及居民區等多種地表類型。安徽光機所將研制的小型化TDLAS 系統和CRDS 系統通過球載探測方式分別實現了對錫林郭勒草原和青藏高原地區高空溫室氣體的垂直廓線探測。機載DIAL 探測見圖7，球載TDLAS探測見圖8。

圖8 球載TDLAS 探測

3.4 星載探測

星載大氣溫室氣體探測指的是利用衛星搭載的光譜檢測儀器來獲取大氣中氣體分子的吸收光譜信息，從而反演出目標氣體的濃度參數的行為。星載探測具備全球覆蓋和高采樣頻率的特點，可在全球尺度上對大氣溫室氣體開展大范圍、長時間的持續監測[16]，因此有助于全球溫室氣體源匯分布的研究。目前國內外已有多顆用于溫室氣體探測的衛星，主要包括日本的GOSAT、美國的OCO-2、中國的TanSat 和高分GF-5 等。

溫室氣體衛星遙感觀測所采用的光譜檢測技術主要包括FTIR、DIAL、LHS 和SHS 等。日本GOSAT 衛星上搭載的FTIR 光譜儀的光譜分辨率可達到0.2cm-1，能夠實現對CO2、CH4及H2O 等溫室氣體成分的柱濃度和垂直廓線探測。搭載于GF-5 上的溫室氣體探測儀（GMI），采用新型的SHS 觀測技術，核心部件是一種靜態邁克爾遜干涉儀，該技術綜合了光柵及傅里葉干涉技術的特點，并采用二維指向鏡獲取來自地球反射的太陽光，利用主光學系統加4 個獨立的一體化空間外差干涉儀來獲取數據，GMI 在其光譜范圍內共有4 個波段，分別是759—769nm、1568—1583nm、1642—1658nm、2043—2058nm，其中第一個波段光譜分辨率是 0.6cm-1，其他波段光譜分辨率為0.27cm-1。GMI 的空間分辨率是星下點10.3km，5d可以對全球實行一次覆蓋。從周期性獲取的高光譜探測數據中，可定量反演出CO2、CH4氣體濃度[17]。此外，NASA 發展了全光纖近紅外LHS，實現了大氣CO2、CH4柱濃度測量，并研制了星載LHS 探測系統，用于測量平流層大氣CO2、CH4濃度。GF-5 衛星在軌運行見圖9，搭載于GF-5 上的GMI 見圖10。

圖9 GF-5 衛星在軌運行示意圖

4 總結與展望

溫室氣體排放監測對于評估溫室氣體排放水平、推動溫室氣體減排具有重要意義，很多國家都相繼制定了溫室氣體測定的相關標準或法規。我國溫室氣體光譜學監測技術經過近二十年的發展取得了長足進步，探測手段、研發投入、應用產出等都有了較大提升，并逐漸形成了天地一體化監測體系，地基遙感探測和衛星遙感探測方面的一些研究成果也達到了國際先進水平，但是目前一些溫室氣體高端分析儀器仍落后于發達國家，存在核心部件“卡脖子”的問題，因此亟待推動監測技術的創新優化和國產儀器的更新迭代。未來，在“雙碳”目標的推動下，基于光譜學原理的氣體檢測技術和儀器將在溫室氣體大氣背景監測、生態通量監測、碳柱及廓線監測等方面發揮重要作用，相關的分析儀器也將朝著國產化、小型化、智能化的方向發展。

圖10 搭載于GF-5 上的GMI 示意圖