【熱點(diǎn)Focus】溫室氣體觀測的發(fā)展與現(xiàn)狀小結(jié)

溫室氣體觀測背景

目前，全球已有137個(gè)國家通過政策公告或立法提出了碳中和的截止日期。如美國、日本、英國、澳大利亞、加拿大、新西蘭、南非，已經(jīng)承諾到2050年實(shí)現(xiàn)碳中和（IPCC,2019）。德國等一些國家已經(jīng)將其碳中和期限提前到2045年（IPCC,2019）。由于大多數(shù)發(fā)達(dá)國家已經(jīng)達(dá)到了碳排放峰值，只需要繼續(xù)原有的溫室氣體減排戰(zhàn)略即可實(shí)現(xiàn)其碳中和目標(biāo)，因此其碳減排任務(wù)相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)（IPCC,2019）。盡管中國目前的碳排放總量仍在增加，但仍然承諾實(shí)現(xiàn)“2030年達(dá)到碳峰值，到2060年實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)。“雙碳”目標(biāo)下，溫室氣體觀測及監(jiān)測的重要性無可厚非，特別是觀測網(wǎng)絡(luò)的組建將提升我國氣候變化監(jiān)測評(píng)估能力，持續(xù)為碳達(dá)峰、碳中和行動(dòng)提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。下文將主要介紹國際溫室氣體觀測的發(fā)展歷史及主流觀測方法。

溫室氣體觀測歷史

1957年，美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)在夏威夷的莫納羅亞(155.6°W，19.5°N) 基于非色散紅外光譜(NDIR)技術(shù)開始對(duì)大氣中溫室氣體進(jìn)行第一次原位持續(xù)監(jiān)測。隨后，NOAA將大氣溫室氣體的持續(xù)常規(guī)監(jiān)測擴(kuò)展到巴羅(156.6°W，71.3°N)、美屬薩摩亞(170.6°W，14.2°S)和南極(59.0°E，90.0°S)。四個(gè)監(jiān)測站長時(shí)間序列的溫室氣體監(jiān)測結(jié)果顯示，在過去的50年里，全球大氣中的二氧化碳?xì)怏w濃度逐年增加（圖1）。

圖1：莫納羅亞、巴羅、美屬薩摩亞和南極監(jiān)測站觀測的二氧化碳濃度長期變化趨勢

此外，由世界氣象組織(WMO)組建的全球大氣觀測網(wǎng)絡(luò)(GAW)，測量了一些地面和塔基觀測站的大氣溫室氣體（圖2）。目前，在中國境內(nèi)運(yùn)營著納入WMO/GAW的1個(gè)全球大氣本底站--瓦里關(guān)站（100.9°E，36.3°N）和3個(gè)區(qū)域觀測站，分別為臨安（119.7°E，30.3°N）、龍鳳山（127.6°E、44.7°N）和上甸子（117.2°E，40.7°N）。大多數(shù)WMO/GAW地面和塔基觀測站都使用光腔衰蕩光譜 (CRDS）儀器來進(jìn)行溫室氣體的高精度測量。此外，WMO/GAW還進(jìn)行全球大氣溫室氣體的空中原位監(jiān)測（圖2）。這些機(jī)載測量活動(dòng)包括洲際化工運(yùn)輸實(shí)驗(yàn)-北美活動(dòng)(INTEX-NA)和2004-2005年在美國上空進(jìn)行的緬因州二氧化碳收支與矯正機(jī)載實(shí)驗(yàn)（COBRA-ME）；2006年澳大利亞上空進(jìn)行的熱帶暖池國際云試驗(yàn)(TWP-ICE) 等等。

圖2：由NOAA和WMO組織的全球溫室氣體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

在過去二十年中，對(duì)整個(gè)大氣柱濃度進(jìn)行測量的光學(xué)遙感技術(shù)得到了快速的發(fā)展，并被證明這是一種非常有價(jià)值的監(jiān)測大氣溫室氣體濃度的技術(shù)。因此世界各國設(shè)計(jì)并發(fā)射了具有不同時(shí)空分辨率的衛(wèi)星用于推導(dǎo)溫室氣體的全球分布，包括歐洲航天局(ESA)的SCIAMACHY和TROPOMI、來自日本的GOSAT和GOSAT-2、來自美國的OCO-2 和 OCO-3、中國的TanSat和Gaofen-5 (GF-5) 系列衛(wèi)星和來自加拿大的GHGSat。這些衛(wèi)星主要通過紅外光柵或傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)來測量溫室氣體的總柱濃度。其中GOSAT和OCO-2對(duì)XCO2（大氣二氧化碳柱濃度）的測量精度分別為1-2ppm和約等于1ppm（或0.25%）。利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行的研究已經(jīng)得出了特大城市或更大地區(qū)規(guī)模的人為二氧化碳通量估計(jì)，最近還擴(kuò)大了對(duì)單個(gè)設(shè)施(如單個(gè)發(fā)電廠)二氧化碳排放量的估計(jì)。

地面高分辨率FTIR光譜儀是推導(dǎo)溫室氣體總柱濃度和剖面濃度的有力工具，總碳柱觀測網(wǎng)絡(luò)(TCCON)和大氣成分變化探測網(wǎng)絡(luò)-紅外工作組(NDACC-IRWG)都使用了高分辨率FTIR光譜儀(主要由德國Bruker生產(chǎn)的IFS120HR/IFS125HR系列光譜儀)來觀察溫室氣體和大氣污染物的總柱濃度和剖面濃度。TCCON/NDACC-IRWG網(wǎng)絡(luò)自2004/1992年開始運(yùn)行，并提供長時(shí)間序列下的多種溫室氣體觀測結(jié)果。這些觀測結(jié)果已被廣泛應(yīng)用于碳循環(huán)、碳源和碳輸運(yùn)、衛(wèi)星驗(yàn)證、遙感算法開發(fā)和大氣CTMs評(píng)估等方面。目前，全球只有大約30個(gè) TCCON/數(shù)字網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合站點(diǎn)，大多分布在歐洲和北美（圖3），中國僅建立了兩個(gè)TCCON站，即合肥站(117.2°E，32.0°N)和香河站(116.96°E，39.75°N)。

除了基于網(wǎng)絡(luò)的常規(guī)觀察外，在全球范圍內(nèi)還有許多以研究為導(dǎo)向的溫室氣體監(jiān)測活動(dòng)。這些測量基于各種類型的平臺(tái)如機(jī)載、走航、站點(diǎn)等，使用CRDS、NDIR光譜、連續(xù)積分腔輸出光譜(OA-ICOS)、氣相色譜和火焰電離檢測(GC/FID)、FTIR光譜學(xué)或差分吸收激光雷達(dá)(DIAL)技術(shù)進(jìn)行。

總體而言，國際社會(huì)已經(jīng)建立了一系列的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)來測量不同時(shí)空尺度下的溫室氣體。由于所有溫室氣體都在紅外波段有光譜吸收的特征，這些監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)大多基于各種光譜儀器建立。這些立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了排放清單的編制和綜合監(jiān)測系統(tǒng)，形成了最先進(jìn)的溫室氣體監(jiān)測和評(píng)估系統(tǒng)，被《聯(lián)合國氣候變化框架公約》(《氣候公約》)廣泛用于評(píng)估全球、國家和區(qū)域范圍的溫室氣體排放，并確定是哪個(gè)排放部門，以及各自溫室氣體排放的數(shù)量。