中国气象科学研究院汤洁：​温室气体监测关键问题解析

减污降碳一直是我国的重点工作。习近平在2023年全国生态环境保护大会上强调，要积极稳妥推进碳达峰碳中和，落实好碳达峰碳中和“1+N”政策体系等。最近印发的《深化碳监测评估试点工作方案》中提到，我国2022年基本完成试点工作，到2025年基本建成碳监测评估体系。随着国家“碳达峰”和“碳中和”战略的实施，温室气体的准确监测与评估将成为降碳目标的根本前提。

随着一系列政策法规的出台，以及温室气体监测试点城市项目的开展，温室气体监测市场逐渐增大，国产仪器研发力度也不断加大。为了了解当前温室气体监测技术、市场现状，以及相关监测设备的研发进展等，仪器信息网围绕“温室气体监测技术与市场”主题开展约稿活动。本次我们邀请到来自中国气象科学研究院的汤洁研究员，请他介绍温室气体测量技术的发展与应用。

内容如下：

温室气体测量技术的发展与应用

中国气象局  汤洁

近十年余来，在应对气候变化带来的温室气体监测迫切需求促进下，随着高分辨率光谱探测技术的进步和应用，市场上出现了一些新的温室气体测量技术和设备，呈现迅速取代非色散红外法、色谱法等原有主流测量技术地位的趋势，其中最多见的测量仪器有：CRDS（光腔衰荡光谱法）、OA-ICOS（离轴积分增强输出光谱法）、FTIR（傅里叶变换红外光谱法）等。这三种技术均基于近/中红外的高分辨率吸收光谱的测量原理，具有精度高、时间分辨率高、响应快速稳定、使用便捷等优势特点，前两种技术的特点为近或中红外激光光源的单吸收峰窄带光谱测量，后一种则为宽带多吸收峰中红外光谱测量，两者各自在光源强度和光谱稳定性上具有相对优势。国外已推出的商用仪器总体测量性能均能满足世界气象组织（WMO）和欧洲综合碳观测系统（ICOS）的技术要求，因而在国内的许多科研业务单位已获得采购应用。但是，这些新仪器设备因其工作原理特点，在使用上需要特别注意以下2个问题，才能真正发挥这些仪器的优势特点，获得精准的测量数据。

首先是水汽干扰的问题。一般认为，高分辨率光谱测量技术可以更加准确地区分不同物种的指纹光谱吸收，因而可以完全排除水汽等非目标物种的吸收峰干扰，但是实则并不尽然。根据文献报道，水汽（在近/中红外区吸收最强）对温室气体高分辨率光谱测量的干扰影响包括以下四种方式：1）稀释效应（即在计算温室气体物种的干空气混合比时，必须扣除水汽含量）；2）水汽吸收峰的干扰；3）吸收峰展宽的影响；4）临近吸收峰展宽后的干扰。前两种干扰和影响的物理因素较为简单，而后两种干扰源自于分子间相互作用的结果，对光谱解析计算的影响较为复杂，尤其是对单吸收窄带光谱测量的技术而言，影响更为显著一些。这些干扰因素对于高精度温室气体测量来说是不可忽视的，目前唯一的解决办法是在进气系统中加入除水器件，将环境空气的露点温度降低到一个可接受的范围，WMO在2015年曾建议将进气露点温度控制在-30℃以下（即水汽含量低于500ppm）。除水的方法有冷阱除水、溶蚀管除水、化学除水，三种方法既可以单独使用也可以组合使用。

第二个需要注意的是同位素体“盲视”（或“歧视”）问题。如，二氧化碳存在¹⁶O¹²C¹⁶O、¹⁶O¹³C¹⁶O、¹⁷O¹²C¹⁶O、¹⁸O¹²C¹⁶O等多种稳定同位素体，还包括¹⁴C等非稳定同位素体。不同同位素体的分子吸收光谱是不一样的，因此高分辨率光谱测量将不同种的同位素体作为不同的“物种”来测量，对二氧化碳而言一般是只测量¹⁶O¹²C¹⁶O，而对其它同位素体是完全“盲视”的。相对而言，传统的非色散红外法、色谱法技术不存在同位素体“盲视”（或“歧视”）效应，或者可忽略。由于大气二氧化碳中的碳-13同位素丰度受化石燃料排放等影响而存在季节变化和长期趋势，同位素体“盲视”效应的存在可能影响高精度温室气体测量结果，在温室气体标准制备、量值传递过程中，也需要格外重视同位素体“盲视”效应可能带来的系统性干扰和影响。

除本文提及的三种高分辨率光谱温室气体测量技术外，国外还不断有新技术研发的报道，国内一些科研单位和企业也在密切跟踪国际最新技术的进展，自主研发国产测量仪器。作者衷心期待更加先进、可靠、自主创新的国产技术装备出现，为构建我国技术自主的温室气体监测网络做出贡献，提供关键的基础数据支撑，为我国“双碳”战略保驾护航。

作者简介：

汤洁 研究员

中国气象科学研究院

中国气象科学研究院研究员，硕士生导师，长期从事大气化学观测研究，2018年退休。曾作为归国留学生代表获江泽民主席接见，入选国家“百千万人才计划”第二层次人才，获国务院特殊津贴奖励，在全球大气化学计划、全国环境学会、气象学会中担任学术任职，任世界气象组织全球大气监测计划（WMO-GAW）运行专家组（OG）成员和中方国家联络人，负责瓦里关本底台的国际援助项目和业务建设，先后4次赴南、北极科考。在国内外学术刊物上发表论文百余篇，译著一篇，编写国家标准2份及气象行业标准多份。