國際經(jīng)驗 | 溫室氣體排放監測如何開(kāi)展？

“十四五"時(shí)期是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善由量變到質(zhì)變的關(guān)鍵時(shí)期，面對實(shí)現綠色低碳發(fā)展和碳達峰、碳中和目標的需求，在我國開(kāi)展溫室氣體排放監測工作尤為重要。

生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《“十四五"生態(tài)環(huán)境監測規劃》中明確提出，要補齊碳監測技術(shù)短板，構建溫室氣體監測技術(shù)體系和質(zhì)量控制體系，同時(shí)推進(jìn)碳監測評估試點(diǎn)和開(kāi)展消耗臭氧層物質(zhì)等其他履約監測。這明確了我國溫室氣體排放監測工作未來(lái)的發(fā)展重點(diǎn)。

美國加州地區在溫室氣體排放監測中取得的經(jīng)驗，可以為我國相關(guān)工作的開(kāi)展提供借鑒。

以區域為尺度，多站點(diǎn)、多手段獲取排放數據

加州空氣資源委員會(huì )（CARB）是美國加州地區負責空氣質(zhì)量管理和應對氣候變化的政府機構，于2010年啟動(dòng)了溫室氣體監測網(wǎng)絡(luò )，以研究和評估加州區域內的溫室氣體排放趨勢，并幫助建立更精準的區域溫室氣體排放清單。除了監測溫室氣體外，監測網(wǎng)絡(luò )還針對人為燃燒排放源指示物一氧化碳進(jìn)行監測，并將風(fēng)速、風(fēng)向和溫度等氣象參數納入監測指標。

溫室氣體監測網(wǎng)絡(luò )對已知溫室氣體排放源位置、區域風(fēng)軌分析、現存溫室氣體排放監測位置等信息進(jìn)行分析，設置監測點(diǎn)，并根據監測功能不同，對監測點(diǎn)進(jìn)行功能分區。

其獨立運行的監測點(diǎn)主要分布在中央山谷和南部海岸地區：Tuscan Buttes 監測點(diǎn)（TSB）和Sutter Buttes 監測點(diǎn)（STB）位于中央山谷北部，Madera 監測點(diǎn)（MAD）、Tranquility 監測點(diǎn)（TRA）和Arvin監測點(diǎn)（ARV）位于中央山谷南部，用于甲烷排放監測。

其中，MAD、TRA、ARV監測點(diǎn)用于測量中央山谷內混合排放源釋放的甲烷。Mt. Wilson 監測點(diǎn)（MWO）位于圣蓋博山區域，用于觀(guān)測和評估從東南和西南偏西方向擴散而來(lái)的城市氣體污染物。San Bernardino監測點(diǎn)（SBC）位于高塔之上，可以覆蓋更大區域范圍、采集不同高度的空氣樣本，用于分析監測氣體的垂直分布情況。

CARB溫室氣體監測網(wǎng)絡(luò )分布

CARB溫室氣體監測站點(diǎn)基本情況

除了地面監測和高塔監測裝置，溫室氣體監測網(wǎng)絡(luò )還使用衛星、小型飛機等高空監測手段，以更加全面地了解溫室氣體的排放來(lái)源。比如在甲烷排放的監測中，溫室氣體監測網(wǎng)絡(luò )使用小型飛機遙測的方式在不同的高度提取甲烷點(diǎn)源，并將數據共享給其他科研機構，更好地了解測算與排放清單之間的數據差距。

服務(wù)于排放清單構建，助力實(shí)現區域減排目標

在獲取監測數據后，CARB采用大氣反演方法將在現場(chǎng)或遙感測量的溫室氣體濃度以及模擬的氣象條件相結合，以獲得獨立的溫室氣體排放清單，自下而上評估溫室氣體排放情況。具體操作如下：

第一步，使用拉格朗日粒子彌散模型 (LPDM) 模擬得到粒子軌跡，再使用大氣輸送模型和粒子軌跡計算場(chǎng)地的大氣排放足跡。排放足跡表征測量站點(diǎn)的濃度對每個(gè)網(wǎng)格單元的單位排放通量變化的敏感性，可以用來(lái)表示當地表排放變化一個(gè)單位時(shí)測量站點(diǎn)濃度變化量的信息。

第二步，將歷史溫室氣體排放清單估算的排放量與排放足跡相乘，得出上風(fēng)向排放源排放的溫室氣體濃度的增長(cháng)情況，和上風(fēng)向背景濃度相加后，得到模擬溫室氣體排放濃度。

第三步，將模擬溫室氣體排放濃度數據與監測數據進(jìn)行比較, 然后采用統計技術(shù)（比如貝葉斯模型）優(yōu)化溫室氣體通量，使模擬的大氣溫室氣體濃度與觀(guān)測值更好地吻合，最后得到排放源排放數據。

反向建模系統框架圖

排放溯源技術(shù)分析手段可以幫助更加精準和全面地了解區域排放情況。CARB對2014年至2016年間在MWO監測點(diǎn)收集到的空氣樣本中21種化合物（包括一氧化碳、二氧化碳、甲烷、烷烴、烯烴、苯、乙苯和二甲苯）的濃度進(jìn)行了源解析，分析確定了甲烷的主要排放源包括垃圾填埋場(chǎng)、石油氣、工業(yè)過(guò)程、化石燃料燃燒、石油精煉、天然氣和生物源。

示蹤劑-示蹤分析是CARB使用的另一種技術(shù)分析手段，使用這種分析手法的前提是監測區域的大氣氣團混合良好。CARB發(fā)現MWO監測點(diǎn)采集到的甲烷和一氧化碳比例一致，由此推斷甲烷和一氧化碳在到達監測站點(diǎn)之前已充分混合，并且兩種物質(zhì)的排放源貢獻相對恒定。

因此，CARB使用示蹤劑-示蹤分析法，計算洛杉磯盆地的溫室氣體排放。由于甲烷和一氧化碳在洛杉磯市區內擴散的時(shí)間尺度上是不發(fā)生化學(xué)反應的，且它們的排放源分布相似并受到相似尺度的大氣輸送和稀釋的影響，所以CARB用線(xiàn)性回歸模型來(lái)推導環(huán)境中甲烷和一氧化碳濃度之間的統計關(guān)系，再結合已知的一氧化碳排放量計算洛杉磯盆地的甲烷排放量。

CARB將監測網(wǎng)絡(luò )獲取的甲烷數據分享給監管方或者執法部門(mén)，將數據的使用范圍擴展至其他區域，支持更大范圍的減排工作，并提出政策建議，幫助監管部門(mén)達成排放管理目標。

此外，CARB還與政府部門(mén)、油氣生產(chǎn)企業(yè)合作，在基礎設施項目點(diǎn)開(kāi)展甲烷排放的遙測，快速鎖定泄露排放情況，幫助相關(guān)方及時(shí)采取措施。