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Picarro 分析儀在巡檢與計量領域的應用,助力“雙碳”目標實現

來源:北京世紀朝陽科技發展有限公司   2025年05月15日 11:47  
Picarro 分析儀在巡檢與計量領域的應用,助力“雙碳”目標實現
背景介紹




人為溫室氣體持續排放是近百年來引發全球氣候變暖的重要驅動力。控制全球變暖的關鍵在于控制溫室氣體的排放量。第 21 屆聯合國氣候變化大會一致認為需要進一步努力,將全球平均氣溫較前工業化時期的上升幅度控制在 2℃ 以內。為實現這一目標,應盡快達到溫室氣體排放峰值,并在 21 世紀下半葉,通過碳匯來平衡人為的排放。因此,改進對溫室氣體源和匯的估計,準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。清單法通過統計每個排放源消耗的能源,計算出  CO的總排放量,其缺點在于:統計資料和排放因子無法快速更新,難以捕捉排放源的動態變化。此外,統計測量的復雜度和各地的政策都會影響測量的準確性。基于濃度測量的通量反演法使用儀器觀測溫室氣體濃度,結合大氣擴散模型和氣象數據等來綜合估算溫室氣體的排放通量。相對于清單法,該方法獲得的排放數據更新頻次快,且測量數據相對客觀,可以為溫室氣體的排放及溯源提供更準確的依據。


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。遙感技術則可實現遠距離的連續測量,原位測量通過在地基或機載平臺部署大量點式傳感器等進行監測。在過去的十多年里,光譜技術如光腔衰蕩光譜(CRDS)、離軸連續積分腔輸出光譜(OA-ICOS)已經商業化,逐漸取代傳統的非分散紅外(NDIR)和氣相色譜-火焰離子化檢測(GC-FID)系統。這些新技術在靈敏度、精確度、線性度、時間響應以及測量設置方面具有明顯優勢。


世界氣象組織(WMO)的全球大氣觀測網(GAW)致力于實現網絡兼容性目標(Compatibility Goal),使不同實驗室或現場站測量的大陸或全球尺度的大氣觀測能夠進行科學解釋。網絡兼容性目標是指在理想條件下,兩個實驗室或實體分析結果的差異允許范圍。這個差異不僅包括儀器的精度,還涉及標準、分析方法等多個方面。為實現該兼容性目標,需要從量值溯源和標準化兩方面著手。一是要建立國際等效可比的量值溯源/傳遞技術體系,即統一溫室氣體監測的“度量衡”;二是要在儀器選擇、點位布置、站點數據質量控制等方面加強標準化工作。

Picarro 分析儀在巡檢與計量領域的應用,助力“雙碳”目標實現

方法描述


Picarro 分析儀在巡檢與計量領域的應用,助力“雙碳”目標實現

為了實現溫室氣體監測數據的準確性和可比性,觀測網絡需要建立嚴格的量值傳遞體系和數據質量控制體系。以 WMO-GAW 為例,其設立世界標校中心(WCC),負責標校各國的監測設備,確保其測量結果的準確性和一致性。WMO  的量值傳遞體系從國際或國家計量基準開始,通過各級計量標準,逐級傳遞測量單位的量值。


Picarro 分析儀在巡檢與計量領域的應用,助力“雙碳”目標實現

WMO 定期組織的 Round-Robin 巡回比對是一種重要的質量控制活動,旨在評估和確保全球大氣監測網絡中溫室氣體測量的一致性和準確性。通過將儀器/標準氣體在不同實驗室和監測站點之間傳遞和測量,可以評估各個監測設備和實驗室的測量結果與國際標準的一致性,具體方法分為以下兩種:

實驗室間比對


將標準樣品(如高壓氣瓶)發送到各個參與實驗室,實驗室在自己的主要測量設施中對這些標準樣品進行測量,并將結果報告給 WMO。該方法能夠較為準確地評估各實驗室的測量能力,包括其設備、人員操作、分析方法等各方面的綜合水平;便于統一管理和協調,WMO 可以集中收集和分析數據,對全球范圍內的測量網絡進行質量控制和評估。但缺點在于樣品在運輸過程中可能存在泄漏、污染等風險,影響比對結果的準確性;不同實驗室的測量條件(如溫度、濕度等)可能存在差異,難以完全保證比對的公平性。

現場審核

WMO-GAW 專家攜帶經過嚴格校準和認證的標準儀器(系統)前往各個國家的溫室氣體監測站點。與當地系統比對:在監測站點,將標準儀器與當地的監測系統進行連接,同時對同一空氣樣本進行測量,記錄并對比兩者的測量數據。通過對比標準儀器和當地監測系統的測量結果,評估當地監測系統的準確性、穩定性和可靠性,檢查是否存在系統偏差、漂移等問題,并提出改進建議。

該方式能夠直觀地了解監測站點在實際運行環境中的測量情況,包括儀器的安裝、操作、維護等是否規范,及時發現并解決現場存在的問題,提高比對的針對性和有效性。避免了樣品在運輸過程中可能出現的泄漏、污染等風險,確保比對結果的準確性,更真實地反映監測站點的實際測量能力。有助于評估不同監測站點之間的數據兼容性,確保全球溫室氣體監測網絡的數據一致性和可比性,為全球氣候變化研究提供更可靠的數據支持。但該方法對標準儀器要求高:標準儀器需要具有高精度、高穩定性和良好的環境適應性,否則可能無法準確評估監測站點的測量質量,甚至可能因標準儀器自身的問題而影響比對結果的可靠性。




Picarro 分析儀在巡檢與計量領域的應用,助力“雙碳”目標實現

Picarro 溫室氣體分析儀在巡檢計量監測中的應用


Picarro 分析儀在巡檢與計量領域的應用,助力“雙碳”目標實現
巡檢質控

Picarro 分析儀憑借其優異的精度及穩定性,使其在全球主要溫室氣體監測網絡中得到廣泛應用,如 GAW 和 ICOS 網絡中的本底監測站點以及城市背景站均采用了 Picarro 分析儀進行溫室氣體的監測。Picarro 分析儀的長期穩定性及軍工級別出廠測試標準,保證了其耐用性,也使其成為少數可以用作 WMO 站點間巡檢審核的儀器。


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


Picarro 分析儀在巡檢與計量領域的應用,助力“雙碳”目標實現
WCC-Empa 審核期間環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境觀測站(OPE)作為 ICOS 網絡的一部分,成功實現了對大氣中 CO2、CH4 和 CO 的高精度連續測量。Conil et al., (2019)通過嚴格的質量控制,包括使用 Picarro G2401 巡檢設備的現場審計,確保了測量數據的準確性和可靠性。測量結果表明,OPE 站的數據質量達到了 WMO-GAW 的兼容性目標,為區域和全球尺度的溫室氣體監測提供了重要的數據支持。

瑞士聯邦材料科學與技術研究所(Empa)是一個主要負責 CO2、CH4 和  CO 測定的世界標校中心,其已經證實,將 Picarro 巡檢儀器用于全球大氣觀測網現場觀測站審核有諸多優勢。只要條件允許,就應積極采用這種做法(GGMT-2019)。

標準物質標定


CRDS 分析儀能夠在幾秒鐘或更短的時間內對多組分氣體進行監測,靈敏度可以達到 ppb 級別,甚至有些氣體可以達到 ppt 級別。這種高精度測量能力使其在多種標準物質標定中提供非常準確的參考數據。


日本國家計量研究所 Aoki et al.,(2022)使用 Picarro G2301 分析儀用來研究 CO2 對氣瓶的吸附和 CO2 與空氣分餾對標準混合物制備過程中的影響,實驗表明:CO2 對于氣瓶內部吸附較小;“母-子”分裝實驗則證明了分餾不僅使制備的標準混合物中的 CO2 摩爾分數減少,而且使源氣體中的 CO2 摩爾分數增加,而熱擴散是分餾的主要因素。在重量法多步稀釋制備標準混合物時,必須考慮分餾引起的 CO2 摩爾分數的變化。


中低精度傳感器參照校準

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絡中具有重要的作用,特別是在廣泛覆蓋、輔助高精度監測、特定應用場景、移動監測和數據融合與分析等方面。通過合理部署和使用中低精度傳感器,可以提高監測網絡的整體效能,為溫室氣體排放的監測和管理提供更全面、更準確的數據支持。但中低精度溫室氣體傳感器在實際應用中同樣存在測量精度低、受環境影響大、穩定性較差、數據校準和驗證困難等問題。需要通過合理的校準和維護,以及與其他高精度分析儀的結合使用,來克服這些局限性,提高監測網絡的整體性能。Picarro 分析儀憑借自身優異性能,廣泛應用于中低精度傳感器校準工作中。

浙江工業大學 Pang et al.,(2024)基于 TDLAS 技術開發了便攜式 CH4  探測器,并與 Picarro G2401 進行了比較,以驗證便攜式探測器的實用性和準確性。該探測器與無人機和電動自行車相結合,被部署到中國長三角紹興市進行環境 CH4 調查。通過質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,這意味著紹興市應采取一些控制措施來減少 CH4 排放。

Picarro 分析儀在巡檢與計量領域的應用,助力“雙碳”目標實現
便攜式 CH4 探測器與 Picarro G2401 在測量環境 CH時的比較結果,以及它們之間的相關性分析
(圖片來源:https://doi.org/10.1016/j.jes.2024.03.045)


中國科學院大氣物理研究所 Renet al.,(2024)為了加深對城市和區域排放的了解,設計并構建了一個低成本無人機協調碳觀測網絡(LUCCN),該網絡使用中等精度(±1 ppm)二氧化碳傳感器,通過與 Picarro G2301 分析儀的  CO2 濃度數據進行比較,發現 LUCCN 傳感器的最大標準偏差在 1 秒窗口尺寸的受控實驗室環境中為 0.782 ppm,在室外環境中為 0.53 ppm。1 小時運行平均窗口大小。作為 LUCCN 地面測量的驗證,我們確定并呈現了當地二氧化碳濃度變化與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。


Picarro 分析儀在巡檢與計量領域的應用,助力“雙碳”目標實現

LUCCN 的內部結構以及在實驗室中的觀測場圖

 (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空特征,使用多功能多旋翼無人機探測平臺同時觀測中國臺灣北端 PM2.5、O3、CO2 和氣象變量。無人機搭載了 K30 FR 設備來測量空氣中的 PM2.5、O3 和 CO2 濃度。在實驗過程中,Picarro G2401 被用來校準無人機平臺上的 CO2 傳感器。K30 FR 設備是一種非分散紅外(NDIR)快速響應 CO2 傳感器模塊。



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