溫室氣體觀測中的數(shù)據(jù)合規(guī)驗證

由于越來越清晰地認識到溫室氣體對全球氣候的影響作用，多個高精度的溫室氣體觀測網(wǎng)絡(luò)隨之建立，用以監(jiān)測并量化世界不同地區(qū)不斷變化的生物圈溫室氣體通量和人為排放的相對作用。最初目標是建立大氣背景站測量溫室氣體，以獲得大尺度的代表性數(shù)據(jù)。后來，越來越多的區(qū)域站和觀測網(wǎng)絡(luò)的建立，可以獲取更多關(guān)于特定區(qū)域的排放信息。事實上，高精度溫室氣體觀測網(wǎng)絡(luò)在監(jiān)測和驗證國際氣候協(xié)議的背景下尤其重要。

綜合碳觀測系統(tǒng) (ICOS) 是一個以歐洲為中心的基礎(chǔ)研究網(wǎng)絡(luò)（https://www.icos-ri.eu），可提供標準化、高精度、長時間穩(wěn)定運行的監(jiān)測海洋與大氣溫室氣體濃度、生態(tài)系統(tǒng)通量和其他重要碳循環(huán)參數(shù)的分布式基礎(chǔ)設(shè)施。其實施準備階段（2008-2013）起，到2015 年底 ICOS 正式開始法人實體運行，截止2021年底，共在歐洲14個國家建立超過60個觀測站點（包括30個大氣觀測站）。

ICOS 觀測站分布圖

ICOS從起步階段就使用了WMO的網(wǎng)絡(luò)兼容性目標為中心的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，定義了以最精確和最客觀的方式，驗證測試儀器及其測量標準操作程序，實現(xiàn)操作和測量協(xié)議的標準化。

ICOS大氣中心ATC （Atmospheric Thematic Center）的主要任務(wù)就是確保臺站達到基于 WMO兼容性目標的質(zhì)量目標（這些目標已在ICOS 大氣觀測規(guī)范中詳細說明）。為此，使用了所謂的“數(shù)據(jù)合規(guī)驗證”（Labeling process），即除了首先評估新臺站位置與基礎(chǔ)設(shè)施，以及符合 ICOS 要求的可用人力和后勤資源的充足性，更對最初運行數(shù)月的觀測方法與數(shù)據(jù)進行評估，確保正確設(shè)置和良好的測量實踐，并能夠達到 ICOS 的精度和穩(wěn)定性要求，最終符合 ICOS 數(shù)據(jù)質(zhì)量目標。

  a.校準

目前，ICOS的數(shù)據(jù)合規(guī)驗證（Labeling process）階段的校準策略如下：3~4種標氣（已在 CAL-FCL 中指定并可追溯到 WMO 標度），每隔15天做一個校準序列（4次循環(huán)測量），每瓶標氣每次測試30分鐘，總共6 到 8 小時的校準測量。根據(jù)校準數(shù)據(jù)，ATC 會建議是否可以降低或增加頻率，但無論如何，每月至少需要一個校準序列。下表為ATC MLab 校準質(zhì)量控制的典型閾值（標準偏差，SD）：

下圖為1 個月內(nèi) CO₂ 的標準氣體測量（ppm 或 μmol mol-1）與標準值的差異。短期與長期標氣（氣瓶編號如圖所示）測量數(shù)據(jù)分別以綠色與棕色表示，淺橙色空心圓圈為兩次校準時間軸顯示。

下圖為法國 Trainou 高塔觀測系統(tǒng)示意圖，紅色部分為Picarro G2401 分析儀，藍色部分為系統(tǒng)冗余準備需要對所使用的 CO₂、CH₄ 和 CO 分析儀定期校準（每月兩次），然而適當(dāng)減少校準進樣次數(shù)也是可以的，從而節(jié)省標氣并延長校準氣體的使用壽命。

  b.水汽影響

水汽對測量氣體的影響是導(dǎo)致測量結(jié)果不確定性的一個重要來源。ICOS MLab 的測試表明，它對于迄今為止測試的所有儀器和測量技術(shù)均產(chǎn)生影響，并隨著時間的推移以不同的方式令各種氣體光譜發(fā)生變化。確定水汽影響可以通過加濕干燥氣體獲得不同條件下測量差異的曲線，用于測量數(shù)據(jù)的水汽校準。這類方法比較復(fù)雜且受其他環(huán)境因素限制，現(xiàn)場水汽校正測試也無法提供定量結(jié)果，因此強烈推薦使用干燥系統(tǒng)。

  c.管路檢測

ICOS ATC建議定期（每年）對10 年以下的外部采樣管線進行泄漏測試，理想情況下，應(yīng)通過外部結(jié)構(gòu)（高塔）上的每條采樣管線注入測試氣體，以測試管路及其內(nèi)表面可能的裂縫。在測試期間，重要的是調(diào)整測試氣瓶輸出壓力，以便重現(xiàn)與環(huán)境空氣采樣時相同的壓力條件。如果沒有觀察到明顯的偏差，我們可以認為管路沒有泄漏。

根據(jù)ICOS的數(shù)據(jù)合規(guī)驗證（Labeling process）要求，有23個臺站于2016 年至 2019 年之間完成了數(shù)據(jù)質(zhì)量目標驗證，并得到 ICOS 大會的批準。7個站位于德國，法國本土3個，瑞典3個，芬蘭3個，意大利2個（其中1個由歐盟委員會聯(lián)合研究中心運營），荷蘭、挪威、瑞士、捷克及留尼汪島各1個，這些大都是配備了高塔可完成多點大氣采樣的大陸或高山站點。

上圖為2020 年前通過ICOS的數(shù)據(jù)合規(guī)驗證的 23 個臺站的地圖。顏色顯示站點被標記的時間：首先是紫色（2017 年 11 月），然后是藍色（2018 年 5 月）、綠色（2018 年 11 月）、粉紅色（2019 年 5 月）和紅色（2019年11 月）

上圖為在 Torfhaus 站 (德國，縮寫TOH)，編號為 457 的Picarro G2401溫室氣體分析儀一年中每小時平均值。左側(cè)圖為環(huán)境大氣，右側(cè)為標準氣體測量值。校準顯示為橙色圓圈。無效數(shù)據(jù)用黑色顯示在每個圖的底部。

下圖為2020年之前23個通過ICOS的數(shù)據(jù)合規(guī)驗證（Labeling process）觀測臺站中，CO₂/CH₄/CO不確定性和偏差，x 軸為的ICOS 站點名稱與分析儀編號，每個圖中上下兩條黑線顯示了 WMO 兼容性目標。

下表為2020年之前23個通過ICOS的數(shù)據(jù)合規(guī)驗證（Labeling process）觀測臺站中，CO₂/CH₄/CO溫室氣體分析儀（Picarro G2301或G2401）每年平均漂移監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以看到Picarro的溫室氣體分析儀在一年的觀測工作中無事實漂移。

NA：未提供數(shù)據(jù)或使用G2301分析儀

NS：漂移不顯著

在Camille Yver-Kwok 的文章中，介紹了ICOS 大氣站可確保生成的數(shù)據(jù)具有高質(zhì)量的數(shù)據(jù)合規(guī)驗證過程。對于 23 個合規(guī)站點數(shù)據(jù)中，我們可以得出以下結(jié)論：