TDLAS技術(shù)利用窄線寬的可調(diào)諧激光光源，完整地掃描到氣體分子的一條或幾條吸收譜線，具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、光譜分辨率高等優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)溫室氣體原位點式和區(qū)域開放式探測，對于多氣體組分探測通常需要多個激光器復(fù)用實現(xiàn)。
CRDS和OA-ICOS技術(shù)均屬于小型化的氣體原位探測技術(shù)，在溫室氣體監(jiān)測方面，能夠?qū)崿F(xiàn)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(shù)，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(lǐng)域。
雖然光譜學(xué)檢測技術(shù)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(yīng)用場景，綜合上述技術(shù)的測量優(yōu)勢，可以實現(xiàn)多空間尺度、多時間尺度、多氣體組分的連續(xù)自動監(jiān)測，滿足生態(tài)、環(huán)境、氣候研究對溫室氣體排放監(jiān)測的多樣需求。
在溫室氣體高靈敏探測技術(shù)方面，以美國Picarro、ABB為代表的氣體分析儀公司，開發(fā)了高性能的CRDS、OA-ICOS氣體檢測儀，在國內(nèi)大氣背景站、高原科考及其他溫室氣體高精度測量需求領(lǐng)域占據(jù)了絕對市場；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TCCON等組織全球碳排放觀測的主要技術(shù)方案；德國航空航天中心利用星載DIAL實現(xiàn)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NASA發(fā)展部署中的技術(shù)方案，相關(guān)產(chǎn)品的工程化和應(yīng)用水平處于國際領(lǐng)先地位；在溫室氣體區(qū)域分布航測和排放源遙測評估方面，德國不萊梅大學(xué)開展了基于SCIAMACHY衛(wèi)星和機載WFMDOAS的算法及系統(tǒng)集成研究。目前國內(nèi)在溫室氣體監(jiān)測技術(shù)研究方面也開展了大量的工作，一些產(chǎn)品儀器也實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化推廣，包括原位點式TDLAS溫室氣體監(jiān)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(wèi)星監(jiān)測載荷等，代表性研究單位包括中國科學(xué)院安徽光機所、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、國防科技大學(xué)、山西大學(xué)、南京信息工程大學(xué)等。由于起步較晚，國內(nèi)在溫室氣體高端分析儀器性能上，尤其是測量精度、環(huán)境適應(yīng)性和長期穩(wěn)定性等技術(shù)指標方面與國外還存在一定的差距。
三、技術(shù)應(yīng)用
大氣中CO2、CH4、N2O三大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在0.78-2.5μm范圍，對應(yīng)于氣體分子的“泛頻”吸收譜帶，而中紅外波段波長位于2.5-25μm范圍，對應(yīng)于氣體分子的“基頻”吸收譜帶，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(jiān)測需求，研究人員開展了不同形式的探測方法研究，主要包括地面探測、地基探測、機載探測和星載探測，綜合運用各種吸收光譜技術(shù)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(jīng)過光電信號轉(zhuǎn)換、光譜信號采集、濃度算法解析、軟件數(shù)據(jù)處理等技術(shù)過程，能夠?qū)崿F(xiàn)溫室氣體多組分高靈敏時空分辨觀測。
圖1. 溫室氣體典型監(jiān)測應(yīng)用場景
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(yè)固定點源及高架點源等工業(yè)點源排放。此外，城市也是二氧化碳排放的主要來源，包括地面交通、城市餐飲集中區(qū)等典型城市點源排放，廢棄物處理行業(yè)的廢棄物填埋場和污水處理過程點源排放，以及農(nóng)林畜牧養(yǎng)殖業(yè)點源排放等。
針對地面點源溫室氣體監(jiān)測，又分為原位點式探測和開放光路區(qū)域式探測兩種方式，代表性檢測技術(shù)有NDIR、TDLAS、CRDS、OA-ICOS和FTIR。原位點式探測儀器，其內(nèi)部設(shè)計有密封式或開放式吸收池，面向的是環(huán)境中特定位置處或密閉艙室內(nèi)的溫室氣體監(jiān)測，儀器便攜性好，可以通過移動監(jiān)測儀器實現(xiàn)不同點位的溫室氣體原位探測，適用于小范圍區(qū)域的氣體排放監(jiān)測，代表性檢測儀器包括美國Licor公司生產(chǎn)的NDIR便攜式CO2分析儀、Picarro公司生產(chǎn)的CRDS高精度CO2/CH4/N2O分析儀、中國科學(xué)院安徽光機所研制的OA-ICOS高精度CO2/CH4分析儀等。開放光路區(qū)域式探測儀器，利用一對收發(fā)光學(xué)端，面向開放區(qū)域下的溫室氣體監(jiān)測，適用于幾十米至幾百米范圍的較大空間尺度監(jiān)測，代表性檢測儀器包括安徽藍盾光電子股份有限公司生產(chǎn)的TDLAS開放光路長光程CO2/CH4分析儀和中國科學(xué)院安徽光機所研制的FTIR開放光路CO2/CH4分析儀。
圖2.(a)原位點式CRDS監(jiān)測儀(b)區(qū)域開放式TDLAS監(jiān)測儀
3.2 地基探測
地面探測可以實現(xiàn)溫室氣體濃度的高精度在線測量，但測量結(jié)果容易受到地表、下墊面地形以及垂直氣團傳輸?shù)挠绊懀⑶覠o法獲取大氣痕量氣體垂直廓線分布數(shù)據(jù)。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?shù)臏厥覛怏w垂直柱濃度。與地面探測不同的是，地基遙感測量得到的諸如CO2等溫室氣體垂直柱濃度對氣團的垂直傳輸不敏感。地基遙感監(jiān)測結(jié)果能夠為溫室氣體時空分布、變化特征、區(qū)域排放等的研究提供可靠的觀測數(shù)據(jù)。
溫室氣體地基遙感探測的典型方法是高分辨率的FTIR技術(shù)，監(jiān)測波段主要位于近紅外4000~11000cm-1波段，光譜分辨率可高達0.0095cm-1，它具有高精度、高準確性以及連續(xù)測量等優(yōu)勢，但高分辨的地基FTIR也具有相對較大的設(shè)備體積，建設(shè)成本較高。地基高分辨率FTIR光譜儀，簡稱FTS。目前，全球碳柱總量觀測網(wǎng)(TCCON)，就是基于FTS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、CO、H2O、HDO。該網(wǎng)絡(luò)建立了嚴格的數(shù)據(jù)采集與反演標準，可用于研究全球的碳循環(huán)，也可為衛(wèi)星的校準提供標準數(shù)據(jù)庫。目前TCCON在全球已有二十多個站點，具體分布如下圖3所示。
圖3. TCCON全球站點分布圖
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?qū)γ總€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(jiān)測面積大等優(yōu)點。機載溫室氣體探測是對溫室氣體垂直廓線的直接測量，結(jié)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(wěn)定獲取空間信息，而且能夠彌補野外站點觀測在空間連續(xù)性、區(qū)域一致性以及觀測精度上的不足，解決衛(wèi)星遙感時空分辨率過低以及與地面監(jiān)測校準尺度不匹配的問題，成為溫室氣體監(jiān)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技術(shù)、機載FTIR技術(shù)、機載/球載TDLAS技術(shù)、機載/球載CRDS技術(shù)。美國NASA的研究人員在飛機上搭載一套DIAL系統(tǒng)，實現(xiàn)了10km高空處的CO2柱濃度檢測。中國科學(xué)院安徽光機所采用一架Y-12型飛機，飛行高度保持在1km，在山東半島地區(qū)開展了機載FTIR高空CO2、CO以及N2O的觀測，飛行路線覆蓋了裸土、沙灘、植被、海水以及居民區(qū)等多種地表類型。同樣是中國科學(xué)院安徽光機所，將研制的小型化TDLAS系統(tǒng)和CRDS系統(tǒng)，通過球載探測方式分別實現(xiàn)了錫林郭勒草原和青藏高原地區(qū)高空溫室氣體垂直廓線探測。
圖4.(a)機載DIAL探測(b)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(wèi)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(shù)。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廣范圍、長時間的持續(xù)監(jiān)測，因此星載探測可以促進全球溫室氣體源匯分布的研究。目前國內(nèi)外已有多顆用于溫室氣體探測的衛(wèi)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(wèi)星遙感觀測所采用的光譜檢測技術(shù)主要包括FTIR技術(shù)、DIAL技術(shù)、LHS技術(shù)和SHS技術(shù)等。日本GOSAT衛(wèi)星上搭載的FTIR光譜儀的光譜分辨率達到0.2cm-1，能夠?qū)崿F(xiàn)CO2、CH4以及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，采用新型的觀測技術(shù)—SHS技術(shù)獲取最高達0.035nm的高分辨率光譜，能夠?qū)崿F(xiàn)CO2和CH4的全球觀測，是國際上首臺基于該體制的星載溫室氣體遙感設(shè)備。此外，美國NASA發(fā)展了全光纖近紅外LHS技術(shù)，實現(xiàn)了大氣CO2、CH4柱濃度測量，并研制了星載LHS探測系統(tǒng)，用于測量平流層大氣CO2、CH4濃度，不過衛(wèi)星目前尚未發(fā)射。
圖5. 2018年9月高分五號衛(wèi)星GMI載荷CO2觀測結(jié)果
四、總結(jié)展望
溫室氣體排放監(jiān)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，國際上很多國家都相繼制定了溫室氣體測定的相關(guān)標準或法規(guī)。我國溫室氣體光譜學(xué)監(jiān)測技術(shù)經(jīng)過近二十年的發(fā)展取得了長足的進步，探測手段、研發(fā)投入、應(yīng)用產(chǎn)出等都有了較大的提升，并逐漸形成了天地一體化監(jiān)測體系，地基遙感探測和衛(wèi)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西方發(fā)達國家，核心部件“卡脖子”現(xiàn)象頻現(xiàn)，因此亟待推動監(jiān)測技術(shù)的創(chuàng)新優(yōu)化和國產(chǎn)儀器的更新迭代。未來，在碳達峰、碳中和以及環(huán)境污染防治等國家戰(zhàn)略推動下，基于光譜學(xué)原理的氣體檢測技術(shù)和儀器將在溫室氣體大氣背景監(jiān)測、生態(tài)通量監(jiān)測、碳柱及廓線監(jiān)測等方面發(fā)揮重要作用，相關(guān)的分析儀器也將朝著國產(chǎn)化、小型化、智能化等方向發(fā)展。
原標題：技術(shù)熱點 | 溫室氣體監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢