二氧化碳監測：更小更快更強丨大氣悟理

編者按：看寒來暑往雲捲雲舒，思古往今來氣候變遷，中科院之聲與中國科學院大氣物理研究所聯合開設「大氣悟理」，為大家介紹大氣裡發生的有趣故事，介紹一些與天氣、氣候和環境相關的知識。

導讀：在廣告中我們可能都聽過這麼一句：小身材有大能量。在進行大氣邊界層CO₂探測的時候，也有這麼一個」小個子」，它小小的身軀有大大的作用。它是誰呢？

在郊區，總有那麼幾個「神秘「的地方——在這裡，你看不到高樓和人群，只有幾個大大的煙囪，在不停向外」吞雲吐霧「。有的時候，他們直直衝向天空，而有的時候，即使沒有風，他們也會半路拐個彎，近水平地飄向未知的遠方。

唐貴謙 攝

這個具備讓廢氣「改道」能力的，就是大氣邊界層（PBL）的逆溫頂蓋了。可千萬別被名字誤導了，大氣邊界層可不是離地球最遠的大氣層，而是指大氣最底層，靠近地球表面、受地面摩擦阻力影響的大氣層區域。由於接近地球表面，各種粗糙元（如房屋、樹木）都會使大氣流動受阻，這種摩擦帶來的阻力會隨高度逐漸減小，到某一位置後便可忽略，而這一高度就是大氣邊界層厚度了，它會隨著地面特點變化，一般為1-2km高。

（圖片來自網絡）

而作為與我們生活最息息相關的大氣層，大氣邊界層是地氣相互作用、大氣汙染過程的重要界面。大氣邊界層結構決定了大氣傳輸、擴散，直接影響近地面大氣成分的時空分布。不僅是汙染物，這一層中溫室氣體——如CO₂的變化，也受到了巨大的關注。

由於與地表「熱切「地進行熱量、動量、水汽和其他物質的交換，這一層中的大氣十分好動，不僅尺度小，運動還完全隨機。就像河水流速太快會呈現出一個個小漩渦，流場中大氣也是完全沒有章法（上圖中各式各樣的煙囪排煙就是），被稱為大氣湍流。在這樣複雜的條件下，要想探測CO₂的垂直分布，可不是個容易事兒。

大氣湍流示意（圖片來源：NORTEK）

2016年，我國發射了TANSAT（碳衛星），躋身擁有嗅碳衛星國家的前三名，可以說一件讓人挺起胸脯的自豪事。它就像孫悟空的火眼金睛，可以監控大氣中不同高度上CO₂的一舉一動。

（圖片來自網絡）

但是，衛星監測並非完美無缺，他們有時會被雲和氣溶膠「迷了眼」，導致雲下大氣邊界層中測量出來的CO₂濃度也是虛虛實實，分不清真假。地面觀測嘗試來填補這個空白，但是它畢竟只能給出」面」上單個點的變化，面對上天入地無所不能的CO₂，他也只能抬頭嘆氣了。為了測量邊界層中CO₂的垂直分布，科學家可謂是絞盡腦汁。氣象觀測塔、飛機、探空氣球和系留氣艇輪番上陣。

北京氣象塔（左）與探空氣球（右）

氣象塔雖高，觀測高度也到不了邊界層上部——就連大氣物理研究所的亞洲第二高氣象塔，也只到325m高，遠遠夠不到2km的邊。

飛機和探空氣球也可用於大氣邊界層內的CO₂監測，並且檢測精度高。可是搭載傳統監測儀器，會受到儀器體積大，質量重的限制，總是沒有那麼靈活。

攜帶高精度CO₂監測儀器的飛機起飛（圖片來源：韓鵬飛）

更重要的是，飛一次委實太貴，貪心想要更多數據的科研人員容易經費「告急「，再加上他們的垂直解析度只有100-200m，實在無法滿足高性價比要求。

（圖片來自網絡）

兩難之時，個子最小的系留氣艇站了出來。在兄弟姐妹裡，它看似能力最弱——無法獨立飛行，需要纜繩控制；飛行高度較低——最高只能飛到2km。但依靠肚子裡的氦氣，系留纜索的牽拉，它可以依靠浮力在空中特定範圍內實現固定高度、長時間的駐留（連續滯空的時間是幾天至一個月）。同時由於構造簡單，它部署簡單靈活，不管是造價還是維護費用都很低。更重要的是，它的垂直解析度高達40m。這讓研究人員眼前一亮——這難道不是邊界層測量CO₂的最佳選手麼！

實驗用系留氣艇（唐貴謙 攝）

搞定了載體，市面上的CO₂探測儀這麼多，究竟哪一個最適合跟著系留氣艇一起高性價比「出道「？

傳統標準儀器在背景濃度的高精度觀測中可以起到大作用，但它實在是個大傢伙，和配套系統動輒需要佔地數平米，重量達到幾十千克。這對系留氣艇而言，實在是個帶不動的隊友。

中科院大氣物理研究所，碳循環與氣候變化研究團隊成員和馬蘭裡大學曾寧教授經過多年的攜手努力，成功研發出了一種基於非分散紅外技術（NDIR）的低成本微型化CO₂監測儀。

傳統高精度儀器與微型化儀器大小對比（圖片來源: 韓鵬飛）

與傳統標準儀器相比，微型化儀器妥妥是個觀測界的小個子。但它小小的身體裡蘊含著大大的能量：不僅體積小（長寬高均不超過30 cm），質量輕（小於1千克，僅為傳統儀器的幾十分之一），而且精度高（一般為2-5 ppmv, 1 ppmv=百萬體積分之一），在捕捉大氣CO₂濃度的晝夜和逐日變化（通常幾十至上百個ppmv）這個「主戰場」裡可以說是遊刃有餘，憑藉「小輕強」的優勢，與系留氣艇組成了最佳CP。

（圖片來自網絡）

它的過人之處還可不止如此，通過結合先進的傳感器技術、網際網路技術、無線通信技術，不僅能實現對環境CO₂濃度的實時監測，還可作為網格化固定站點以及不固定點位的流動監測。

當然，微型化儀器並不是十全十美。它佔據了體積的優勢，就犧牲了一部分精度——傳統高精度儀器精度是它的10倍以上，可達0.2ppmv。但是他們倆應用場景不同：高精度儀器用於大氣本底監測，微型化儀器則用於城市高密度監測（包括定點監測、移動車輛觀測）和探空監測。可以說，它們在各自的戰場裡各自發揮著作用。

2019年1月8日—14日，研究人員就將該儀器搭載到系留氣艇垂直探測系統上，成功對河北省石家莊市西南地區邊界層(0-1000 m)的CO₂垂直分布進行了原位觀測。王躍思研究員課題組王迎紅博士同步採集了不同高度的氣體樣品，在實驗室用氣相色譜儀進行了精準測量。

微型化儀器用於系留氣艇垂直觀測（唐貴謙 攝）

文章通訊作者，大氣物理研究所韓鵬飛博士和碩士生包鍾秀及合作者通過數據對比分析，發現微型化儀器與傳統氣相色譜分析儀得到的CO₂垂直廓線非常一致。同時CO₂濃度基本呈現隨高度增加而降低的趨勢，且邊界層中CO₂濃度的垂向分布主要受邊界層穩定性和排放源的影響，大氣模式模擬試驗進一步證實了這些結果。這些研究成果發表在了Atmospheric and Oceanic Science Letters上。

CO₂排放和大氣傳輸示意圖，應用低成本儀器搭載到系留汽艇可成功觀測其垂直廓線（圖片來源：韓鵬飛）

同時，基於國家重點研發計劃項目(2017YFB0504000)的支持，研究人員利用這一「宜靜宜動」的微型化儀器，在京津冀地區組建高密度觀測網，在公裡級尺度上觀測了城市CO₂的時空變化。

京津冀城市群高密度組網觀測部分監測點示意（圖片來源：韓鵬飛）

其實在觀測的世界裡，研究人員一直不懈追尋著「物美價廉「 的存在。微型化儀器可以說為CO₂垂直觀測提供了更簡單高效的方法，可以說它應用前景廣闊，具有很高的推廣價值。

受新型冠狀病毒影響，2020年全球由化石燃料產生的CO₂排放量預計將減少7％。不過，我們需要認識到，即使這是二戰以來的最大急劇降幅，全球變暖的長期趨勢並未減緩。作為《巴黎協定》執行情況的評估標準之一，CO₂排放量的監測依然是重中之重。而在微型化儀器的幫助下，我們將能更快的掌握CO₂在邊界層內高精度分布的規律和特點，這將為我國碳減排和低碳發展的政策制定提供更多科學依據。

參考文獻：

1. ZhongxiuBAO, Pengfei HAN, Ning ZENG, Di LIU, Qixiang CAI, Yinghong WANG, Guiqian TANG,Ke ZHENG & Bo YAO (2020): Observation and modeling of vertical carbondioxide distribution in a heavily polluted suburban environment, Atmosphericand Oceanic Science Letters, 13(4), DOI: 10.1080/16742834.2020.1746627.

2. 郭育紅, 辛金元, 王躍思,等. 保定市大氣顆粒物中含碳組分粒徑分布[J]. 氣候與環境研究, 2014, 019(002):185-192.

來源：中國科學院大氣物理研究所

編者按：看寒來暑往雲捲雲舒，思古往今來氣候變遷，中科院之聲與中國科學院大氣物理研究所聯合開設「大氣悟理」，為大家介紹大氣裡發生的有趣故事，介紹一些與天氣、氣候和環境相關的知識。

導讀：在廣告中我們可能都聽過這麼一句：小身材有大能量。在進行大氣邊界層CO₂探測的時候，也有這麼一個」小個子」，它小小的身軀有大大的作用。它是誰呢？

在郊區，總有那麼幾個「神秘「的地方——在這裡，你看不到高樓和人群，只有幾個大大的煙囪，在不停向外」吞雲吐霧「。有的時候，他們直直衝向天空，而有的時候，即使沒有風，他們也會半路拐個彎，近水平地飄向未知的遠方。

唐貴謙 攝

這個具備讓廢氣「改道」能力的，就是大氣邊界層（PBL）的逆溫頂蓋了。可千萬別被名字誤導了，大氣邊界層可不是離地球最遠的大氣層，而是指大氣最底層，靠近地球表面、受地面摩擦阻力影響的大氣層區域。由於接近地球表面，各種粗糙元（如房屋、樹木）都會使大氣流動受阻，這種摩擦帶來的阻力會隨高度逐漸減小，到某一位置後便可忽略，而這一高度就是大氣邊界層厚度了，它會隨著地面特點變化，一般為1-2km高。

（圖片來自網絡）

而作為與我們生活最息息相關的大氣層，大氣邊界層是地氣相互作用、大氣汙染過程的重要界面。大氣邊界層結構決定了大氣傳輸、擴散，直接影響近地面大氣成分的時空分布。不僅是汙染物，這一層中溫室氣體——如CO₂的變化，也受到了巨大的關注。

由於與地表「熱切「地進行熱量、動量、水汽和其他物質的交換，這一層中的大氣十分好動，不僅尺度小，運動還完全隨機。就像河水流速太快會呈現出一個個小漩渦，流場中大氣也是完全沒有章法（上圖中各式各樣的煙囪排煙就是），被稱為大氣湍流。在這樣複雜的條件下，要想探測CO₂的垂直分布，可不是個容易事兒。

大氣湍流示意（圖片來源：NORTEK）

2016年，我國發射了TANSAT（碳衛星），躋身擁有嗅碳衛星國家的前三名，可以說一件讓人挺起胸脯的自豪事。它就像孫悟空的火眼金睛，可以監控大氣中不同高度上CO₂的一舉一動。

（圖片來自網絡）

但是，衛星監測並非完美無缺，他們有時會被雲和氣溶膠「迷了眼」，導致雲下大氣邊界層中測量出來的CO₂濃度也是虛虛實實，分不清真假。地面觀測嘗試來填補這個空白，但是它畢竟只能給出」面」上單個點的變化，面對上天入地無所不能的CO₂，他也只能抬頭嘆氣了。為了測量邊界層中CO₂的垂直分布，科學家可謂是絞盡腦汁。氣象觀測塔、飛機、探空氣球和系留氣艇輪番上陣。

北京氣象塔（左）與探空氣球（右）

氣象塔雖高，觀測高度也到不了邊界層上部——就連大氣物理研究所的亞洲第二高氣象塔，也只到325m高，遠遠夠不到2km的邊。

飛機和探空氣球也可用於大氣邊界層內的CO₂監測，並且檢測精度高。可是搭載傳統監測儀器，會受到儀器體積大，質量重的限制，總是沒有那麼靈活。

攜帶高精度CO₂監測儀器的飛機起飛（圖片來源：韓鵬飛）

更重要的是，飛一次委實太貴，貪心想要更多數據的科研人員容易經費「告急「，再加上他們的垂直解析度只有100-200m，實在無法滿足高性價比要求。

（圖片來自網絡）

兩難之時，個子最小的系留氣艇站了出來。在兄弟姐妹裡，它看似能力最弱——無法獨立飛行，需要纜繩控制；飛行高度較低——最高只能飛到2km。但依靠肚子裡的氦氣，系留纜索的牽拉，它可以依靠浮力在空中特定範圍內實現固定高度、長時間的駐留（連續滯空的時間是幾天至一個月）。同時由於構造簡單，它部署簡單靈活，不管是造價還是維護費用都很低。更重要的是，它的垂直解析度高達40m。這讓研究人員眼前一亮——這難道不是邊界層測量CO₂的最佳選手麼！

實驗用系留氣艇（唐貴謙 攝）

搞定了載體，市面上的CO₂探測儀這麼多，究竟哪一個最適合跟著系留氣艇一起高性價比「出道「？

傳統標準儀器在背景濃度的高精度觀測中可以起到大作用，但它實在是個大傢伙，和配套系統動輒需要佔地數平米，重量達到幾十千克。這對系留氣艇而言，實在是個帶不動的隊友。

中科院大氣物理研究所，碳循環與氣候變化研究團隊成員和馬蘭裡大學曾寧教授經過多年的攜手努力，成功研發出了一種基於非分散紅外技術（NDIR）的低成本微型化CO₂監測儀。

傳統高精度儀器與微型化儀器大小對比（圖片來源: 韓鵬飛）

與傳統標準儀器相比，微型化儀器妥妥是個觀測界的小個子。但它小小的身體裡蘊含著大大的能量：不僅體積小（長寬高均不超過30 cm），質量輕（小於1千克，僅為傳統儀器的幾十分之一），而且精度高（一般為2-5 ppmv, 1 ppmv=百萬體積分之一），在捕捉大氣CO₂濃度的晝夜和逐日變化（通常幾十至上百個ppmv）這個「主戰場」裡可以說是遊刃有餘，憑藉「小輕強」的優勢，與系留氣艇組成了最佳CP。

（圖片來自網絡）

它的過人之處還可不止如此，通過結合先進的傳感器技術、網際網路技術、無線通信技術，不僅能實現對環境CO₂濃度的實時監測，還可作為網格化固定站點以及不固定點位的流動監測。

當然，微型化儀器並不是十全十美。它佔據了體積的優勢，就犧牲了一部分精度——傳統高精度儀器精度是它的10倍以上，可達0.2ppmv。但是他們倆應用場景不同：高精度儀器用於大氣本底監測，微型化儀器則用於城市高密度監測（包括定點監測、移動車輛觀測）和探空監測。可以說，它們在各自的戰場裡各自發揮著作用。

2019年1月8日—14日，研究人員就將該儀器搭載到系留氣艇垂直探測系統上，成功對河北省石家莊市西南地區邊界層(0-1000 m)的CO₂垂直分布進行了原位觀測。王躍思研究員課題組王迎紅博士同步採集了不同高度的氣體樣品，在實驗室用氣相色譜儀進行了精準測量。

微型化儀器用於系留氣艇垂直觀測（唐貴謙 攝）

文章通訊作者，大氣物理研究所韓鵬飛博士和碩士生包鍾秀及合作者通過數據對比分析，發現微型化儀器與傳統氣相色譜分析儀得到的CO₂垂直廓線非常一致。同時CO₂濃度基本呈現隨高度增加而降低的趨勢，且邊界層中CO₂濃度的垂向分布主要受邊界層穩定性和排放源的影響，大氣模式模擬試驗進一步證實了這些結果。這些研究成果發表在了Atmospheric and Oceanic Science Letters上。

CO₂排放和大氣傳輸示意圖，應用低成本儀器搭載到系留汽艇可成功觀測其垂直廓線（圖片來源：韓鵬飛）

同時，基於國家重點研發計劃項目(2017YFB0504000)的支持，研究人員利用這一「宜靜宜動」的微型化儀器，在京津冀地區組建高密度觀測網，在公裡級尺度上觀測了城市CO₂的時空變化。

京津冀城市群高密度組網觀測部分監測點示意（圖片來源：韓鵬飛）

其實在觀測的世界裡，研究人員一直不懈追尋著「物美價廉「 的存在。微型化儀器可以說為CO₂垂直觀測提供了更簡單高效的方法，可以說它應用前景廣闊，具有很高的推廣價值。

受新型冠狀病毒影響，2020年全球由化石燃料產生的CO₂排放量預計將減少7％。不過，我們需要認識到，即使這是二戰以來的最大急劇降幅，全球變暖的長期趨勢並未減緩。作為《巴黎協定》執行情況的評估標準之一，CO₂排放量的監測依然是重中之重。而在微型化儀器的幫助下，我們將能更快的掌握CO₂在邊界層內高精度分布的規律和特點，這將為我國碳減排和低碳發展的政策制定提供更多科學依據。

參考文獻：

1. ZhongxiuBAO, Pengfei HAN, Ning ZENG, Di LIU, Qixiang CAI, Yinghong WANG, Guiqian TANG,Ke ZHENG & Bo YAO (2020): Observation and modeling of vertical carbondioxide distribution in a heavily polluted suburban environment, Atmosphericand Oceanic Science Letters, 13(4), DOI: 10.1080/16742834.2020.1746627.

2. 郭育紅, 辛金元, 王躍思,等. 保定市大氣顆粒物中含碳組分粒徑分布[J]. 氣候與環境研究, 2014, 019(002):185-192.

來源：中國科學院大氣物理研究所

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