温室气体中数据观测合规验证检测方案(多气体分析仪)

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ICOS 观测站分布图 温室气体观测中的数据合规验证 【前言】随着"双碳"目标的确立，生态环境部出具的"炭监测评估试点工作方案"里明确规定了两次校准间漂移的最大容差度，与 WMO的网络兼容性与拓展兼容性目标在数值上是一致的。 无论全国性还是区域性温室气体监测组网，都涉及到高精度分析仪的数据合规验证。欧洲综合碳观测系统 ICOS 要求所有台站加入前必须进行数据合规验证 (Labeling Process)， Camille Yver-Kwok 就职于 LSCE-IPSL/ICOS ATC大气中心，于2020年发表的"Evaluation and optimization of ICOSatmosphere station data as part of the labeling process"， 就 ICOS 23个台站的数据合规验证进行了详细讨论，作为方法参考，希望对我国温室气体监测数据合规验证工作有所帮助。 【第一部分】关于 ICOS：欧洲综合碳观测系统 由于越来越清晰地认识到温室气体对全球气候的影响作用，多个高精度的温室气体观测网络随之建立，用以监测并量化世界不同地区不断变化的生物圈温室气体通量和人为排放的相对作用。最初目标是建立大气背景站测量温室气体，可以获得大尺度的代表性数据。后来，越来越多的区域站和观测网络的建立，以获取更多关于特定区域的排放信息。事实上，高精度温室气体观测网络在监测和验证国际气候协议的背景下尤其重要。 综合碳观测系统 (ICOS) 是一个以欧洲为中心的基础研究网络(https：//www.icos-ri.eu)，可提供标准化、高精度、长时间稳定运行的监测海洋与大气温室气体浓度、生态系统通量和其他重要碳循环参数的分布式基础设施。其实施准备阶段(2008-2013)起，到2015年底 ICOS正式开始法人实体运行，截止2021年底，共在欧洲14个国家建立超过60个观测站点(包括30个大气观测站))o ICOS 从起步阶段就使用了 WMO 的网络兼容性目标为中心的数据质量控制，定义了以最精确和最客观的方式，验证测试仪器及其测量标准操作程序，实现操作和测量协议的标准化。ICOS 大气中心 ATC (Atmospheric Thematic Center) 的主要任务就是确保台站达到基于 WMO兼容性目标的质量目标(这些目标已在 ICOS 大气观测规范中详细说明)。为此，使用了所谓的“数据合规验证”(Labelingprocess)，即除了首先评估新台站位置与基础设施，以及符合ICOS 要求的可用人力和后勤资源的充足性，更对最初运行数月的观测方法与数据进行评估，确保正确设置和良好的测量实践，，并能够达到 ICOS 的精度和稳定性要求，最终符合ICOS数据质量目标。 【第二部分】Icos的数据合规验证 (Labeling process) a.校准： 目前， Icos的数据合规验证 (Labeling process) 阶段的校准策略如下：3~4种标气(已在CAL-FCL 中指定并可追溯到 WMO标度)，每隔15天做一个校准序列(4次循环测量)，每瓶标气每次测试30分钟，总共6到8小时的校准测量。根据校准数据， ATC 会建议是否可以降低或增加频率，但无论如何，每月至少需要一个校准序列。下表为ATC MLab 校准质量控制的典型阈值(标准偏差，SD)： Species Minute Injection Cycle (unit) data SD average SD average SD CO2 (ppm) 0.08 0.06 0.05 CH4 (ppb) 0.8 0.5 0.3 co (ppb) 7 5 下图为1个月内 CO2的标准示体测量 (ppm 或 umol mol-1) 与标准值的差异。短期与长期标气(气瓶编号如图所示)测量数据分别以绿色与棕色表示，浅橙色空心圆圈为两次校准时间轴显示。 Target gas (injection data) 下图为法国Trainou 高塔观测系统示意图，，红色部分为Picarro G2401分析仪，蓝色部分为系统冗余准备 需要对所使用的 CO2、CH4 和 co分析仪定期校准(每月两次)，然而适当减少校准进样次数也是可以的，从而节省标气并延长校准气体的使用寿命。 o.水汽影响 ： 水汽对测量气体的影响是导致测量结果不确定性的一个重要来源。ICOS MLab 的测试表明，，它对于迄今为止测试的所有仪器和测量技术均产生影响，并随着时间的推移以不同的方式令各种气体光谱发生变化。确定水汽景响可以通过加湿干燥气体获得不同条件下测 量差异的曲线，用于测量数据的水汽校准。这类方法比较复杂且受其他环境因素限制，现场水汽校正测试也无法提供定量结果，因此强烈推荐使用干燥系统。 C. 管路检测： ICOS ATC 建议定期(每年)对10年以下的外部采样管线进行泄漏测试，理想情况下，应通过外部结构(高塔)上的每条采样管线注入测试气体，以测试管路及其内表面可能的裂缝。在测试期间，重要的是调整测试气瓶输出压力，以便重现与环境空气采样时相同的压力条件。如果没有观察到明显的偏差，我们可以认为管路没有泄漏。 【第三部分】合规站点运行： 根据 ICOS的数据合规验证 (Labeling process) 要求，有23个台站于2016年至2019年之间完成了数据质量目标验证，并得到 ICOS大会的批准。7个站位于德国，法国本土3个，瑞典3个，芬兰3个，意大利2个(其中1个由欧盟委委会联合研究中心运营)，荷兰、挪威、瑞士、捷克及留尼汪岛各1个，这些大都是配备了高塔可完成多点大气采样的大陆或高山站点。 上图为2020年前通过 ICOS 的数据合规验证的23个台站的地图。颜色显示站点被标标的时间：首先是紫色(2017年11月)，然后是蓝色(2018年5月)、绿色(2018年11月)、粉红色(2019年5月)和红色(2019年11月) 上图为在 Torfhaus 站(德国，缩写TOH)，编号为457 的 Picarro G2401 温室气体分析仪一年中每小时平均值。左侧图为环境大气，右侧为标准气体测量值。校准显示为橙色圆圈。无效数据用黑色显示在每个图的底部。 下图为2020年之前 23个通过 ICOS 的数据合规验证 (Labeling process) 观测台站中， CO2/CH4/CO 不确定性和偏差，x轴为的 ICOS站点名称与分析仪编号，每个图中上下两条黑线显示了 WMO 兼容性目标。 下表为2020年之前23个通过 ICOS 的数据合规验证 (Labeling process) 观测台站中， CO2/CH4/CO温室气体分析仪(Picarro G2301或 G2401) 每年平均漂移监测数据，可以看到 Picarro 的温室气体分析仪在一年的观测工作中无事实漂移。 Station CO2 drift CH4 drift CO drift (ppmyr-) (ppbyr-) (ppbyr) GAT 0.1 3.5 NS HPB 0.1 1 0.5 HTM NS NS NS SMR IPR JFJ KIT KRE LIN LUT CMN NOR RUN OPE OXK PAL 0.12 PUY STE SVB NS TOH TRN 0.15 UTO ZEP 2.4 NA：未提供数据或使用 G2301分析仪；NS：漂移不显著； 【第四部分】结论： 在Camille Yver-Kwok 的文章中，介绍了ICOS大气站可确保生成的数据具有高质量的数据合规验证过程。对于23个合规站点数据中，我们可以得出以下结论： 定期校准的必要性： WMO的网络兼容性与拓展兼容性目标是针对整个监测系统的，〉对核心分析仪定期校准，是确保数据质量的必要条件； -温室气体分析仪漂移性能决定校准频率：作为监测系统核心的分析仪来说，为了达到监测目标， ICOS 合规站点所使用的 Picarro CRDS 分析仪可支持每月两次的校准频率； 低漂移的监测系统可以使校准频率降低，不仅减少了标气的使用，更重要的是减少了因校准而丢失的测量时间和数据有效率； 尽管Picarro CRDS分析仪已经提供了对环境水汽浓度小于4%的温室气体测量有效的数值校准，仍然建议所有系统都使用 Nafion膜或低温冷阱(-50℃以下)； 定期的进气管路测试对于检测数据失真和泄漏卓有成效； ICOS大气中心ATC （Atmospheric Thematic Center）的主要任务就是确保台站达到基于 WMO兼容性目标的质量目标（这些目标已在ICOS 大气观测规范中详细说明）。为此，使用了所谓的“数据合规验证”（Labeling process），即除了首先评估新台站位置与基础设施，以及符合 ICOS 要求的可用人力和后勤资源的充足性，更对最初运行数月的观测方法与数据进行评估，确保正确设置和良好的测量实践，并能够达到 ICOS 的精度和稳定性要求，最终符合 ICOS 数据质量目标。