亚洲清洁空气中心：加州温室气体监测技术方法与应用
- 2023/11/13 10:30:40
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- 来源：亚洲清洁空气中心
- 关键词:大气监测生态环境监测
美国加州长期面临气候变化的严峻挑战，近年来多次经历林火、干旱、洪水等一系列自然灾害，使得应对气候变化成为加州亟需解决的问题。2006年，加州政府通过第32号议会法案(Assembly Bill 32)，明确提出“到2020年，加州将其温室气体排放量减少到1990年水平”的目标，并要求加州空气资源委员会(California Air Resources Board, CARB)建立世界上第一个全面的监管和市场机制计划，以实现可量化的、成本有效的温室气体减排。此后，加州政府陆续通过多项法案及行政命令，对温室气体减排目标的时间进程及行业减排要求做出明确规定。
2000-2020年间，加州的GDP增长了50%以上，但温室气体排放总量、人均温室气体排放量与单位GDP温室气体排放量分别下降约20%、30%和50%，实现了GDP和温室气体排放的脱钩。加州有效的温室气体排放管控，有赖于完善的温室气体监测体系，其在体系建设与应用方面的做法和经验，可以为我国相关工作的开展提供启发与借鉴。
加州的温室气体监测方法
加州建立了温室气体排放的“分层观测系统”，在不同尺度上对温室气体进行测量，以确定排放源。该系统涉及到多种温室气体监测方法，每种都具有其优势和局限性，适用于不同的监测目的。
01 固定站点监测网络
加州的温室气体监测网络于2010年开始运行，包括7个由CARB运维的固定监测站点，以及一些与其它研究伙伴合作的监测站点。CARB为这些站点配备了先进的分析设备，包括Picarro、LGR温室气体分析仪等，对二氧化碳、甲烷、水汽、一氧化二氮、一氧化碳等温室气体进行测量。位于威尔逊山(Mt. Wilson)的山顶观测站可以提供对黑碳，含氟气体、以及挥发性有机物(VOC)的测量。此外，CARB 还部署了能够测量二氧化碳和甲烷同位素特征的分析仪，以进一步细化排放清单。这类固定监测站点及网络可提供针对固定地理位置的连续测量值，但一般不能针对具体行业或排放源进行测量。
02 机载遥感
机载遥感可用于测量局部的温室气体排放，以及识别单个温室气体羽流(plume)。机载遥感在加州已经被用于对设施级别的甲烷排放进行监测，使用配备甲烷监测仪的小型飞机在不同海拔高度以及不同风向围绕排放设施进行飞行测量，对该设施每小时的甲烷排放量进行量化。此外，机载遥感也被用于对相关行业的温室气体泄露检查。但机载遥感通常只能提供瞬时测量，无法提供时间上的连续数据。目前，该技术在加州的农业、能源、废物管理等部门广泛应用。
03 通量塔
对于范围较大的分散性面源，可使用通量塔对场地局部的温室气体排放进行测量。通量塔通过测量气体的垂直浓度梯度来测量排放通量，可以针对较大的面源区域进行连续测量，并提供通量短期变化的详细信息。这一监测方式在加州常被用于监测乳制品厂、垃圾填埋场、稻田等重要温室气体排放区域。
04 卫星遥感
卫星遥感技术可以提供在空间、时间上连续、高频的采样，这对监测空间上分散以及时间上存在间歇性的排放源具有十分重要的意义。但是，卫星遥感数据在空间上的分辨率较为粗糙，需要结合相关设施位置、排放清单、地面温室气体监测网络等对具体排放情况进行识别。
温室气体监测在加州的应用
温室气体监测在加州主要服务于两类目标，一是服务于排放清单的编制工作，帮助相关部门全面了解温室气体排放情况；二是服务于气候变化减缓措施，通过识别和修复温室气体泄漏点实现温室气体减排。
01优化排放清单
加州在洛杉矶威尔逊山顶设立了一个温室气体超级监测站(Mt. Wilson Observatory Station)。洛杉矶位于加利福尼亚州西南部的盆地，西南侧紧邻太平洋，其余三侧被较低山脉包围。威尔逊山位于洛杉矶北侧，山顶海拔约1.7千米。该地区的盛行风向由海岸向东北方向吹向威尔逊山底部。
在气温上升的白天，对流层边界层上升使来自于洛杉矶的温室气体得到充分混合并达到山顶观测站；在气温下降的夜晚，混合的空气被限制在降低的边界层中。基于这一边界层高度的昼夜变化，白天和夜晚在威尔逊山顶观测站采集到的样本可以分别代表洛杉矶本地的温室气体排放水平以及全球的背景排放水平，从而可以对洛杉矶区域的温室气体排放进行估算。结果被用于与自下而上的模型方法建立的温室气体排放清单进行对比，并对排放模型进行修正和更新，优化了加州早期编制的温室气体排放清单。
02 识别并修复温室气体泄漏点
2010年后，甲烷羽流测绘技术取得重要进步。该技术可以对单个甲烷羽流进行实时测量，适合用于寻找大型、局部的甲烷排放源。CARB对这项技术进行了深入探索，在2016-2018年结合该技术进行了第一轮大规模飞行监测研究，对加州的大型甲烷排放源进行了调研，总计调查272,000家设施，在所有甲烷排放的重点行业均发现了甲烷羽流。
在2020年和2021年，CARB进行了第二、三轮飞行研究，旨在测试这些监测数据是否能够支持甲烷的减排行动。2020年，CARB在业界招募自愿参与的设施，通过机载遥感发现甲烷羽流时，将羽流图像传送至设施管理人员，并要求操作员实地调查寻找造成羽流的原因。2021年，CARB向业界所有相关设施通报了飞行计划，在事后分享了拍摄的羽流图像并要求设施进行整改。在这两轮飞行研究中，约80%的设施找到了甲烷泄漏点。
利用小型飞机进行的飞行监测仅适用于对甲烷缓解策略的研究和试点试验。长期持续的监测还需要依赖卫星遥感技术。为此，加州已安排一亿美元购买相关卫星数据，并计划在2023年底至2024年初发射两枚卫星。
此前，加州在针对石油、天然气以及垃圾填埋场的甲烷控制法规中，明确提出每季度进行泄漏检测和修复的要求。利用遥感数据指导甲烷泄漏点识别并修复的行动可以补充相关行业进行季度泄露检查的工作。2023 年 6 月，CARB 工作人员提出了对加州石油和天然气甲烷法规的拟修改意见，其中包括要求设施在获得 CARB通过遥感监测发现的甲烷羽流相关信息后，对泄漏进行检查和修复。同时，加州也在考虑对其他行业采取类似的监管行动。
撰稿|衷楠，根据第十一届长三角空气质量管理技术研讨会Jorn D. Herner报告内容整理
原标题：加州温室气体监测方法与应用 | 国际经验
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