Picarro 分析儀在巡檢與計(jì)量領(lǐng)域的應(yīng)用，助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)

時(shí)間：2025/5/15閱讀：1487

背景介紹

人為溫室氣體持續(xù)排放是近百年來引發(fā)全球氣候變暖的重要驅(qū)動(dòng)力。控制全球變暖的關(guān)鍵在于控制溫室氣體的排放量。第 21 屆聯(lián)合國氣候變化大會(huì)一致認(rèn)為需要進(jìn)一步努力，將全球平均氣溫較前工業(yè)化時(shí)期的上升幅度控制在 2℃ 以內(nèi)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，應(yīng)盡快達(dá)到溫室氣體排放峰值，并在 21 世紀(jì)下半葉，通過碳匯來平衡人為的排放。因此，改進(jìn)對(duì)溫室氣體源和匯的估計(jì)，準(zhǔn)確地測量溫室氣體的排放量非常重要。

國際上量化全球范圍內(nèi)的碳排放的方法主要有兩種：一種是清單法，另一種是基于濃度測量的通量反演法。清單法通過統(tǒng)計(jì)每個(gè)排放源消耗的能源，計(jì)算出 CO₂的總排放量，其缺點(diǎn)在于：統(tǒng)計(jì)資料和排放因子無法快速更新，難以捕捉排放源的動(dòng)態(tài)變化。此外，統(tǒng)計(jì)測量的復(fù)雜度和各地的政策都會(huì)影響測量的準(zhǔn)確性?；跐舛葴y量的通量反演法使用儀器觀測溫室氣體濃度，結(jié)合大氣擴(kuò)散模型和氣象數(shù)據(jù)等來綜合估算溫室氣體的排放通量。相對(duì)于清單法，該方法獲得的排放數(shù)據(jù)更新頻次快，且測量數(shù)據(jù)相對(duì)客觀，可以為溫室氣體的排放及溯源提供更準(zhǔn)確的依據(jù)。

目前，溫室氣體濃度的測量方法主要包括原位測量和遙感測量兩類。遙感技術(shù)則可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的連續(xù)測量，原位測量通過在地基或機(jī)載平臺(tái)部署大量點(diǎn)式傳感器等進(jìn)行監(jiān)測。在過去的十多年里，光譜技術(shù)如光腔衰蕩光譜（CRDS）、離軸連續(xù)積分腔輸出光譜（OA-ICOS）已經(jīng)商業(yè)化，逐漸取代傳統(tǒng)的非分散紅外（NDIR）和氣相色譜-火焰離子化檢測（GC-FID）系統(tǒng)。這些新技術(shù)在靈敏度、精確度、線性度、時(shí)間響應(yīng)以及測量設(shè)置方面具有明顯優(yōu)勢。

世界氣象組織（WMO）的全球大氣觀測網(wǎng)（GAW）致力于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)兼容性目標(biāo)（Compatibility Goal），使不同實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場站測量的大陸或全球尺度的大氣觀測能夠進(jìn)行科學(xué)解釋。網(wǎng)絡(luò)兼容性目標(biāo)是指在理想條件下，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室或?qū)嶓w分析結(jié)果的差異允許范圍。這個(gè)差異不僅包括儀器的精度，還涉及標(biāo)準(zhǔn)、分析方法等多個(gè)方面。為實(shí)現(xiàn)該兼容性目標(biāo)，需要從量值溯源和標(biāo)準(zhǔn)化兩方面著手。一是要建立國際等效可比的量值溯源/傳遞技術(shù)體系，即統(tǒng)一溫室氣體監(jiān)測的“度量衡"；二是要在儀器選擇、點(diǎn)位布置、站點(diǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制等方面加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)化工作。

方法描述

為了實(shí)現(xiàn)溫室氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可比性，觀測網(wǎng)絡(luò)需要建立嚴(yán)格的量值傳遞體系和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制體系。以 WMO-GAW 為例，其設(shè)立世界標(biāo)校中心（WCC），負(fù)責(zé)標(biāo)校各國的監(jiān)測設(shè)備，確保其測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性。WMO 的量值傳遞體系從國際或國家計(jì)量基準(zhǔn)開始，通過各級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，逐級(jí)傳遞測量單位的量值。

WMO 定期組織的 Round-Robin 巡回比對(duì)是一種重要的質(zhì)量控制活動(dòng)，旨在評(píng)估和確保全球大氣監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中溫室氣體測量的一致性和準(zhǔn)確性。通過將儀器/標(biāo)準(zhǔn)氣體在不同實(shí)驗(yàn)室和監(jiān)測站點(diǎn)之間傳遞和測量，可以評(píng)估各個(gè)監(jiān)測設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室的測量結(jié)果與國際標(biāo)準(zhǔn)的一致性，具體方法分為以下兩種：

實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)

將標(biāo)準(zhǔn)樣品（如高壓氣瓶）發(fā)送到各個(gè)參與實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室在自己的主要測量設(shè)施中對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行測量，并將結(jié)果報(bào)告給 WMO。該方法能夠較為準(zhǔn)確地評(píng)估各實(shí)驗(yàn)室的測量能力，包括其設(shè)備、人員操作、分析方法等各方面的綜合水平；便于統(tǒng)一管理和協(xié)調(diào)，WMO 可以集中收集和分析數(shù)據(jù)，對(duì)全球范圍內(nèi)的測量網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行質(zhì)量控制和評(píng)估。但缺點(diǎn)在于樣品在運(yùn)輸過程中可能存在泄漏、污染等風(fēng)險(xiǎn)，影響比對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確性；不同實(shí)驗(yàn)室的測量條件（如溫度、濕度等）可能存在差異，難以完全保證比對(duì)的公平性。

現(xiàn)場審核

WMO-GAW 專家攜帶經(jīng)過嚴(yán)格校準(zhǔn)和認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)儀器（系統(tǒng)）前往各個(gè)國家的溫室氣體監(jiān)測站點(diǎn)。與當(dāng)?shù)叵到y(tǒng)比對(duì)：在監(jiān)測站點(diǎn)，將標(biāo)準(zhǔn)儀器與當(dāng)?shù)氐谋O(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行連接，同時(shí)對(duì)同一空氣樣本進(jìn)行測量，記錄并對(duì)比兩者的測量數(shù)據(jù)。通過對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)儀器和當(dāng)?shù)乇O(jiān)測系統(tǒng)的測量結(jié)果，評(píng)估當(dāng)?shù)乇O(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性，檢查是否存在系統(tǒng)偏差、漂移等問題，并提出改進(jìn)建議。

該方式能夠直觀地了解監(jiān)測站點(diǎn)在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中的測量情況，包括儀器的安裝、操作、維護(hù)等是否規(guī)范，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決現(xiàn)場存在的問題，提高比對(duì)的針對(duì)性和有效性。避免了樣品在運(yùn)輸過程中可能出現(xiàn)的泄漏、污染等風(fēng)險(xiǎn)，確保比對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確性，更真實(shí)地反映監(jiān)測站點(diǎn)的實(shí)際測量能力。有助于評(píng)估不同監(jiān)測站點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)兼容性，確保全球溫室氣體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)一致性和可比性，為全球氣候變化研究提供更可靠的數(shù)據(jù)支持。但該方法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)儀器要求高：標(biāo)準(zhǔn)儀器需要具有高精度、高穩(wěn)定性和良好的環(huán)境適應(yīng)性，否則可能無法準(zhǔn)確評(píng)估監(jiān)測站點(diǎn)的測量質(zhì)量，甚至可能因標(biāo)準(zhǔn)儀器自身的問題而影響比對(duì)結(jié)果的可靠性。

Picarro 溫室氣體分析儀在巡檢計(jì)量監(jiān)測中的應(yīng)用

巡檢質(zhì)控

Picarro 分析儀憑借其優(yōu)異的精度及穩(wěn)定性，使其在全球主要溫室氣體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用，如 GAW 和 ICOS 網(wǎng)絡(luò)中的本底監(jiān)測站點(diǎn)以及城市背景站均采用了 Picarro 分析儀進(jìn)行溫室氣體的監(jiān)測。Picarro 分析儀的長期穩(wěn)定性及軍工級(jí)別出廠測試標(biāo)準(zhǔn)，保證了其耐用性，也使其成為少數(shù)可以用作 WMO 站點(diǎn)間巡檢審核的儀器。

Zellweger et al., （2016）等人通過比較 CRDS “巡檢儀器"與傳統(tǒng)的 NDIR 和 GC-FID 技術(shù)在測量 CO₂ 和 CH₄ 方面的性能，對(duì) CRDS 儀器的 CO₂ 和 CH₄ 穩(wěn)定性分析表明，最佳校準(zhǔn)頻率約為 30 小時(shí)，CRDS 得出的 CO₂ 和 CH₄ 測量值不需要對(duì)采樣空氣進(jìn)行干燥處理，即使在熱帶地區(qū)遇到的非常潮濕的條件下，水汽校正似乎也是有效的。證實(shí) CRDS 儀器和其他光譜技術(shù)適用于 WMO 全球大氣觀測網(wǎng)（GAW）站點(diǎn)，且數(shù)據(jù)有效率更高，這對(duì)于 CO₂ 和 CH₄ 長期時(shí)間序列的延續(xù)是很重要的。由于更高的時(shí)間數(shù)據(jù)覆蓋率、可重復(fù)性和線性，當(dāng)傳統(tǒng)技術(shù)（如用于測量 CO₂ 的 NDIR 分析儀和用于 CH₄ 測量的 GC-FID 系統(tǒng)）被取代時(shí)，CO₂ 和 CH₄ 測量的準(zhǔn)確性有望得到提高。

WCC-Empa 審核期間環(huán)境空氣測量的比較程序示意圖

（圖片來源：https://doi.org/10.5194/amt-2016-110）

法國東北部的佩雷納環(huán)境觀測站（OPE）作為 ICOS 網(wǎng)絡(luò)的一部分，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)大氣中 CO₂、CH₄ 和 CO 的高精度連續(xù)測量。Conil et al., （2019）通過嚴(yán)格的質(zhì)量控制，包括使用 Picarro G2401 巡檢設(shè)備的現(xiàn)場審計(jì)，確保了測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。測量結(jié)果表明，OPE 站的數(shù)據(jù)質(zhì)量達(dá)到了 WMO-GAW 的兼容性目標(biāo)，為區(qū)域和全球尺度的溫室氣體監(jiān)測提供了重要的數(shù)據(jù)支持。

瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)研究所（Empa）是一個(gè)主要負(fù)責(zé) CO₂、CH₄ 和 CO 測定的世界標(biāo)校中心，其已經(jīng)證實(shí)，將 Picarro 巡檢儀器用于全球大氣觀測網(wǎng)現(xiàn)場觀測站審核有諸多優(yōu)勢。只要條件允許，就應(yīng)積極采用這種做法（GGMT-2019）。

標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)定

CRDS 分析儀能夠在幾秒鐘或更短的時(shí)間內(nèi)對(duì)多組分氣體進(jìn)行監(jiān)測，靈敏度可以達(dá)到 ppb 級(jí)別，甚至有些氣體可以達(dá)到 ppt 級(jí)別。這種高精度測量能力使其在多種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)定中提供非常準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)。

日本國家計(jì)量研究所 Aoki et al.,（2022）使用 Picarro G2301 分析儀用來研究 CO₂ 對(duì)氣瓶的吸附和 CO₂ 與空氣分餾對(duì)標(biāo)準(zhǔn)混合物制備過程中的影響，實(shí)驗(yàn)表明：CO₂ 對(duì)于氣瓶內(nèi)部吸附較??；“母-子"分裝實(shí)驗(yàn)則證明了分餾不僅使制備的標(biāo)準(zhǔn)混合物中的 CO₂ 摩爾分?jǐn)?shù)減少，而且使源氣體中的 CO₂ 摩爾分?jǐn)?shù)增加，而熱擴(kuò)散是分餾的主要因素。在重量法多步稀釋制備標(biāo)準(zhǔn)混合物時(shí)，必須考慮分餾引起的 CO₂ 摩爾分?jǐn)?shù)的變化。

中低精度傳感器參照校準(zhǔn)

中低精度溫室氣體傳感器憑借其低廉的成本與小巧的體積，使其在溫室氣體觀測網(wǎng)絡(luò)中具有重要的作用，特別是在廣泛覆蓋、輔助高精度監(jiān)測、特定應(yīng)用場景、移動(dòng)監(jiān)測和數(shù)據(jù)融合與分析等方面。通過合理部署和使用中低精度傳感器，可以提高監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的整體效能，為溫室氣體排放的監(jiān)測和管理提供更全面、更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。但中低精度溫室氣體傳感器在實(shí)際應(yīng)用中同樣存在測量精度低、受環(huán)境影響大、穩(wěn)定性較差、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)和驗(yàn)證困難等問題。需要通過合理的校準(zhǔn)和維護(hù)，以及與其他高精度分析儀的結(jié)合使用，來克服這些局限性，提高監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的整體性能。Picarro 分析儀憑借自身優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于中低精度傳感器校準(zhǔn)工作中。

浙江工業(yè)大學(xué) Pang et al.,（2024）基于 TDLAS 技術(shù)開發(fā)了便攜式 CH₄ 探測器，并與 Picarro G2401 進(jìn)行了比較，以驗(yàn)證便攜式探測器的實(shí)用性和準(zhǔn)確性。該探測器與無人機(jī)和電動(dòng)自行車相結(jié)合，被部署到中國長三角紹興市進(jìn)行環(huán)境 CH₄ 調(diào)查。通過質(zhì)量平衡法估算紹興市年 CH₄ 排放量約為 69 噸/（km²·年）。與世界其他城市相比，紹興市的 CH₄ 排放量處于較高水平，這意味著紹興市應(yīng)采取一些控制措施來減少 CH₄ 排放。

便攜式 CH₄探測器與 Picarro G2401 在測量環(huán)境 CH₄時(shí)的比較結(jié)果，以及它們之間的相關(guān)性分析

（圖片來源：https://doi.org/10.1016/j.jes.2024.03.045）

中國科學(xué)院大氣物理研究所 Renet al.,（2024）為了加深對(duì)城市和區(qū)域排放的了解，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一個(gè)低成本無人機(jī)協(xié)調(diào)碳觀測網(wǎng)絡(luò)（LUCCN），該網(wǎng)絡(luò)使用中等精度（±1 ppm）二氧化碳傳感器，通過與 Picarro G2301 分析儀的 CO₂ 濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn) LUCCN 傳感器的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差在 1 秒窗口尺寸的受控實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中為 0.782 ppm，在室外環(huán)境中為 0.53 ppm。1 小時(shí)運(yùn)行平均窗口大小。作為 LUCCN 地面測量的驗(yàn)證，我們確定并呈現(xiàn)了當(dāng)?shù)囟趸紳舛茸兓c天基中等分辨率成像光譜儀 (MODIS) 捕獲的氣溶膠污染事件之間的一致趨勢。

LUCCN 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及在實(shí)驗(yàn)室中的觀測場圖

（圖片來源：https://doi.org/10.5194/amt-2024-49）

中央研究院環(huán)境變化研究中心 Chang et al.,（2024）為了深入了解東亞大陸外流中空氣污染物的影響和時(shí)空特征，使用多功能多旋翼無人機(jī)探測平臺(tái)同時(shí)觀測中國臺(tái)灣北端 PM2.5、O₃、CO₂ 和氣象變量。無人機(jī)搭載了 K30 FR 設(shè)備來測量空氣中的 PM2.5、O₃ 和 CO₂ 濃度。在實(shí)驗(yàn)過程中，Picarro G2401 被用來校準(zhǔn)無人機(jī)平臺(tái)上的 CO₂ 傳感器。K30 FR 設(shè)備是一種非分散紅外（NDIR）快速響應(yīng) CO₂ 傳感器模塊。

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