海島溫室氣體自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

姜亦飛，王先橋，王 丹，呂洪剛

（國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心 自然資源部海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）是大氣中最主要的溫室氣體，貢獻(xiàn)了大氣輻射總強(qiáng)迫的83%（總輻射P734.4強(qiáng)迫為3.1W/m2），單位重量CH4的輻射強(qiáng)迫效應(yīng)是CO2的20倍以上[1-5]。截至2020年11月，美國(guó)Mauna Loa全球大氣本底站觀測(cè)的大氣CO2和CH4本底濃度（本文所指的濃度是指體積混合比或摩爾分?jǐn)?shù)）分別達(dá)到了413.11×10-6（摩爾分?jǐn)?shù)）和1 891.9×10-9，而工業(yè)革命前的大氣CO2和CH4只有約280×10-6和720×10-9，大氣溫室氣體濃度的持續(xù)增長(zhǎng)將導(dǎo)致溫室效應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)，進(jìn)而直接影響全球氣候變化[6-7]。深入了解不同區(qū)域大氣CO2和CH4濃度變化特征及影響機(jī)制，對(duì)科學(xué)制定溫室氣體減排政策、積極應(yīng)對(duì)氣候變化具有十分重要的意義[8]。

國(guó)外科研機(jī)構(gòu)于20世紀(jì)60年代開(kāi)始對(duì)主要溫室氣體的本底濃度開(kāi)展監(jiān)測(cè)，為全球氣候變化及碳循環(huán)等研究工作提供了大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[4]。國(guó)內(nèi)溫室氣體監(jiān)測(cè)工作起步于20世紀(jì)80年代，中國(guó)氣象局陸續(xù)建成的青海瓦里關(guān)、北京上甸子、浙江臨安、黑龍江龍鳳山等站已列入世界氣象組織/全球大氣觀測(cè)計(jì)劃（World Meteorological Organization，WMO/Global Atmosphere Watch Programme，GAW）大氣本底站系列，并按照WMO/GAW的觀測(cè)規(guī)范和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展觀測(cè)，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，該研究團(tuán)隊(duì)在本底站溫室氣體觀測(cè)、評(píng)估和預(yù)測(cè)等方面做了大量的研究和分析工作，經(jīng)過(guò)多年研究成果總結(jié)出，影響區(qū)域溫室氣體濃度日變化的主要因素是該區(qū)域的植被的光合和呼吸作用以及人為活動(dòng)排放；影響區(qū)域溫室氣體濃度季節(jié)變化的主要因素是該區(qū)域的地面風(fēng)速風(fēng)向以及氣團(tuán)輸送等[9]。

海洋是地球上最大的活躍碳庫(kù)，在氣候變化中發(fā)揮著不可替代的作用。我國(guó)大部分海域受季風(fēng)影響顯著，大氣成分隨季節(jié)周期性變化。由于?！?dú)饨缑鏈厥覛怏w的物質(zhì)交換是估算通量的最重要環(huán)節(jié)，主要取決于兩者之間的壓力差，海-氣界面溫室氣體通量的研究一直是海洋科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。海洋作為大氣CO2最重要的匯區(qū)，作為大氣CH4的一個(gè)自然源[4]，在海島開(kāi)展溫室氣體連續(xù)監(jiān)測(cè)對(duì)于區(qū)域CO2和CH4通量的估算、遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律、時(shí)空變化影響因子研究等具有重要意義。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

常見(jiàn)的溫室氣體濃度在線監(jiān)測(cè)方法有“非色散紅外分析法（NDIR）”“氣相色譜法（GC）”“傅里葉變換紅外光譜法（FTIR）”及“波長(zhǎng)掃描-光腔衰蕩光譜法（WS-CRDS）”等[10]。隨著中紅外波段激光技術(shù)的發(fā)展與成熟，CRDS方法的腔內(nèi)反射次數(shù)有效減少，信噪比也顯著提高，近年來(lái)，CRDS方法一直是國(guó)內(nèi)外背景站和區(qū)域站的溫室氣體高精度業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)的最重要手段[11]。

本系統(tǒng)使用的高頻激光溫室氣體分析儀（GGA）采用離軸積分腔輸出光譜技術(shù)（OAICOS），該項(xiàng)技術(shù)為全光譜掃描，采樣點(diǎn)密集，不受其他干擾物質(zhì)影響，掃描速度快（300次/秒），同步性強(qiáng)。OA-ICOS技術(shù)消除了CRDS技術(shù)在測(cè)量期間需要連續(xù)進(jìn)行光腔與激光波長(zhǎng)匹配以改善信號(hào)強(qiáng)度微弱的不足，使得分析不再需要進(jìn)行復(fù)雜的激光準(zhǔn)值調(diào)整、溫度控制和波長(zhǎng)監(jiān)控，可以實(shí)時(shí)顯示高分辨率激光吸收光譜[12-13]。該儀器的原理是利用特定波長(zhǎng)的激光在光腔內(nèi)多次反射，反射鏡和目標(biāo)氣體均造成入射光能量的衰減，根據(jù)空光腔和充滿樣品氣時(shí)激光衰減到0的時(shí)間不同，即可定量樣品中目標(biāo)氣體的濃度。MAHESH P等[14-15]發(fā)表的文獻(xiàn)中對(duì)該技術(shù)的原理和實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行過(guò)比較詳細(xì)的描述。與傳統(tǒng)方法相比，該系統(tǒng)精度更高、分析迅速、無(wú)需眾多支持氣，操作維護(hù)非常簡(jiǎn)單。

觀測(cè)系統(tǒng)使用的標(biāo)準(zhǔn)氣體以干潔自然大氣為底氣，由中國(guó)氣象局大氣成分觀測(cè)與服務(wù)中心配置和標(biāo)定。定值結(jié)果可溯源至世界氣象組織（World Meteorological Organization，WMO）中心校標(biāo)實(shí)驗(yàn)室（Central Calibration Laboratory，CCL）維持的國(guó)際一級(jí)標(biāo)氣。其廣泛應(yīng)用于瓦里關(guān)、龍鳳山、臨安等全球大氣本底站和區(qū)域大氣本底站[16-17]；本系統(tǒng)CO2和CH4的測(cè)量精度可分別優(yōu)于100×10-9和1×10-9，系統(tǒng)每天自動(dòng)校準(zhǔn)一次。此外，現(xiàn)場(chǎng)值班人員會(huì)定期對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行檢查和維護(hù)。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文介紹的海島基大氣溫室氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的示意圖如圖1所示：系統(tǒng)的采樣口布設(shè)于盡量遠(yuǎn)離人類影響的氣象塔高處，盡量避免人類活動(dòng)和區(qū)域環(huán)境帶來(lái)的影響，進(jìn)氣管為外徑10 mm的Syflex1300內(nèi)部鍍膜專用進(jìn)氣管，進(jìn)氣口裝有Whatman Polycap囊式過(guò)濾器，冷凝除水模塊，冷阱的溫度設(shè)置為-30℃。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，基本可以去除高鹽高濕海島大氣中的鹽分和水分，冷阱的除水管路設(shè)計(jì)比較巧妙（圖2），當(dāng)其中一條管路“裝滿”冰以后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換至另一條管路，而之前管路內(nèi)的冰將自行融化，由蠕動(dòng)泵排除，依次交替，循環(huán)反復(fù)。

圖1 海島大氣溫室氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

圖2 冷凝除水單元

氣體在進(jìn)入自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)前再經(jīng)0.45μm濾膜過(guò)濾，系統(tǒng)的自動(dòng)校準(zhǔn)模塊主要由電磁閥、控制程序和氣體管路等部分組成，我們通過(guò)控制程序設(shè)置切換標(biāo)氣和樣氣的間隔時(shí)間（24 h），并通過(guò)電子閥實(shí)現(xiàn)氣體管路之間的自動(dòng)切換。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)輸入的標(biāo)氣濃度值對(duì)測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，原始數(shù)據(jù)和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)將基于自然資源部專線實(shí)時(shí)傳輸至指定服務(wù)器，校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)可以通過(guò)“碳同化可視化系統(tǒng)”實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的業(yè)務(wù)化運(yùn)行。同時(shí)，系統(tǒng)還包含了短信報(bào)警模塊，當(dāng)結(jié)果出現(xiàn)超出“閾值”的異常值時(shí)，系統(tǒng)將通過(guò)CDMA將“異常值”發(fā)送至指定人員手機(jī)，相關(guān)人員將立即對(duì)系統(tǒng)和硬件進(jìn)行檢查和研判。

3 誤差分析和數(shù)據(jù)篩分

3.1 系統(tǒng)標(biāo)定

本文的誤差分析是基于LGR高頻激光溫室氣體分析儀（GGA）展開(kāi)的，不論是何種型號(hào)、何種品牌的分析儀，光腔壓力和溫度的穩(wěn)定是數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的最關(guān)鍵因素[16]，因此，給觀測(cè)系統(tǒng)提供一個(gè)干燥、恒溫的外部環(huán)境是獲取高質(zhì)量數(shù)據(jù)的首要條件。而標(biāo)定是任何測(cè)量系統(tǒng)排除儀器漂移、提高系統(tǒng)精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

將低、中、高3種不同濃度的標(biāo)氣依次通入系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定時(shí)間為15 min左右，系統(tǒng)的標(biāo)定結(jié)果如圖3（a）所示。一般情況下，考慮到氣體在光腔內(nèi)部的滯留，我們會(huì)將前5 min的數(shù)據(jù)剔除后再進(jìn)行分析，如圖3（b）所示，0～5 min的數(shù)據(jù)在分析時(shí)將予以剔除。本系統(tǒng)設(shè)置的采樣頻率為1 Hz，論文分析所用標(biāo)氣的濃度和標(biāo)準(zhǔn)偏差如表1所示。

圖3 數(shù)據(jù)標(biāo)定及數(shù)據(jù)處理示意圖

表1 本文所使用標(biāo)氣的濃度和標(biāo)準(zhǔn)偏差

3.2 誤差分析

為進(jìn)一步研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性，本文對(duì)定標(biāo)期間的儀器數(shù)據(jù)做了相關(guān)誤差分析，選用極差（X）、平均偏差（A.D.）、樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差（S）以及一元線性判定系數(shù)（R2）來(lái)衡量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度，見(jiàn)式（1）—式（4），誤差分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 誤差分析結(jié)果（CO2單位：×10-6；CH4單位：×10-9）

從表2可以看出，通過(guò)對(duì)定標(biāo)期間測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，極差、平均偏差、標(biāo)準(zhǔn)偏差均達(dá)到極高的精度，系統(tǒng)穩(wěn)定度較高，判定系數(shù)R2均達(dá)到了1，說(shuō)明擬合的回歸方程為最優(yōu)方程，誤差水平與文獻(xiàn)報(bào)道的使用同樣型號(hào)儀器的觀測(cè)站非常接近[14]。

3.3 本底濃度數(shù)據(jù)篩分

為進(jìn)一步研究系觀測(cè)區(qū)域大氣溫室氣體濃度會(huì)受到局地條件和人為活動(dòng)影響，短時(shí)間內(nèi)造成濃度的迅速抬升，因此對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩分能獲取真實(shí)反映該區(qū)域大氣溫室氣體本底特征的數(shù)據(jù)，是開(kāi)展溫室氣體研究的基礎(chǔ)[18]。

常見(jiàn)的大氣成分篩分方法主要有黑炭（BC）示蹤法、氣象要素法、局部近似回歸法（REBS）等，F(xiàn)ANG S X等[19]在相關(guān)文獻(xiàn)中做過(guò)非常詳細(xì)的報(bào)道和對(duì)比研究。本文針對(duì)海洋大氣溫室氣體來(lái)源特征，采用局部近似回歸法，基于R數(shù)值統(tǒng)計(jì)軟件中的IDP-Misc程序包對(duì)海洋大氣溫室氣體濃度進(jìn)行篩分。該方法由中國(guó)氣象科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)，經(jīng)比對(duì)證實(shí)可用于長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)本底濃度篩分[19]。局部近似回歸法是一種統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，利用與均值差異大于3σ作為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)在一段較短時(shí)間內(nèi)對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行估計(jì)，并且考慮溫室氣體濃度長(zhǎng)期或短期的微小變化，局部近似回歸擬合[20]。本底值為假設(shè)大氣均勻混合狀態(tài)的值，是大氣環(huán)境中可能的最低值，因此任何源或匯的因素只會(huì)增大或降低本底值，不會(huì)有不規(guī)則變動(dòng)的情況發(fā)生。其原理如下[21]：

REBS算法，是將觀測(cè)的實(shí)際濃度值定義為Y（ti），則：

式中，g（ti）是本底濃度值；m（ti）是ti時(shí)刻的局部污染氣團(tuán)所產(chǎn)生的影響。測(cè)量誤差Ei獨(dú)立且符合期望為0時(shí)的方差為σ2的高斯分布。

以舟山群島嵊山站（122.84°E，30.71°N）2016年12月至2018年11月連續(xù)2年的CO2觀測(cè)數(shù)據(jù)為例：藍(lán)、綠色的點(diǎn)分別代表CO2日平均和月平均的本底濃度值，呈現(xiàn)夏季低、冬季高的單峰變化特征。主要由于夏季光合作用強(qiáng)，植物對(duì)大氣CO2的吸收作用增強(qiáng)，導(dǎo)致夏季CO2濃度降低；而冬季這種作用減弱，并且更易受到化石燃料燃燒及生物質(zhì)燃燒等排放源的影響。圖中灰、黑色的點(diǎn)代表的是非本底濃度值，高值和低值分別表明受到區(qū)域或局地排放源和吸收匯的影響，使CO2濃度出現(xiàn)較大的抬升或明顯的降低。本底濃度呈相對(duì)較平穩(wěn)的基線，波動(dòng)?。环潜镜字挡▌?dòng)較大，表明受到較強(qiáng)的區(qū)域排放源的影響。在以往的研究中，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域本底篩分一直是開(kāi)展溫室氣體研究的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作[8，19]。

圖4 2016年12月至2018年11月舟山嵊山站CO2濃度本底值篩分

上述統(tǒng)計(jì)分析中，觀測(cè)數(shù)據(jù)中約66.3%的數(shù)據(jù)被篩分為本底濃度值；20.6%的數(shù)據(jù)為源抬升濃度值（受區(qū)域或局地排放源的影響），而有約13.1%的資料代表了CO2吸收濃度值（主要受光合作用影響），觀測(cè)到的源抬升濃度值多于吸收濃度。東海大氣的這種CO2濃度的收支不平衡，說(shuō)明與光合作用相比，大氣CO2濃度受到區(qū)域或局地的人為活動(dòng)的排放源的影響更加顯著。

4 軟件系統(tǒng)

4.1 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸依托自然資源部專線，而數(shù)據(jù)的捕獲和傳輸是項(xiàng)目組基于Python語(yǔ)言自行編制的軟件實(shí)現(xiàn)的，整個(gè)過(guò)程大致可以拆分成自動(dòng)登錄、打開(kāi)本地文件、自動(dòng)傳輸、退出等步驟。

將數(shù)據(jù)所在位置設(shè)置為本地目錄，將服務(wù)器上存在且有權(quán)限訪問(wèn)的目錄設(shè)置為遠(yuǎn)端目錄，設(shè)置正確的IP地址和端口，根據(jù)需求選擇是否遞歸上傳、剪切/復(fù)制、自檢查，設(shè)置返回路徑等細(xì)節(jié)。數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程必須考慮傳輸安全和數(shù)據(jù)備份。目前，該系統(tǒng)所有環(huán)節(jié)均為自動(dòng)化，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守運(yùn)行工作狀態(tài)。

4.2 數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)

可視化系統(tǒng)的C/S客戶端應(yīng)用系統(tǒng)采用C++作為主要開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，采用Visual C++6.0作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，系統(tǒng)中數(shù)據(jù)計(jì)算和本底篩分的腳本由項(xiàng)目組成員基于Matlab軟件自行編寫完成，系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)批量傳輸與自動(dòng)化處理子系統(tǒng)和三維可視化信息服務(wù)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的功能模塊如圖5所示。

圖5 溫室氣體數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)可視化系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)支持?jǐn)?shù)據(jù)混合存儲(chǔ)模式，針對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用文件存儲(chǔ)模式，針對(duì)計(jì)算的分鐘平均、日平均數(shù)據(jù)等采取數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)技術(shù)，依據(jù)數(shù)據(jù)不同類型、不同應(yīng)用模式進(jìn)行不同存儲(chǔ)，支持多源異構(gòu)數(shù)據(jù)管理。系統(tǒng)支持根據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)編目功能擴(kuò)展，可為后期海量數(shù)據(jù)檢索、瀏覽提供基礎(chǔ)。系統(tǒng)亦包括三維可視化信息服務(wù)子系統(tǒng)，用于溫室氣體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的高效展示，實(shí)現(xiàn)專題展示、綜合查詢、統(tǒng)計(jì)分析、剖面分析、動(dòng)畫制作等功能，界面如圖6所示。通過(guò)屬性數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)、專題編目結(jié)合地圖展示等多種方式進(jìn)行集成展示，并提供綜合查詢與空間分析，為各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)科學(xué)決策提供依據(jù)。

圖6 數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的軟件界面

5 結(jié) 論

本文詳細(xì)介紹了海島基溫室氣體自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)的組成、工作原理、誤差分析、數(shù)據(jù)篩分及軟件功能等相關(guān)內(nèi)容?；谏鲜龉ぷ鳎群蠼ǔ晌魃秤琅d島、寧德北礵島、舟山嵊山島和南沙永暑島4座海島基大氣溫室氣體監(jiān)測(cè)站，這4處選址分處中國(guó)東海、南海。該項(xiàng)工作可以獲得中國(guó)沿海廣大海域連續(xù)、高頻率、高精度的大氣溫室氣體數(shù)據(jù)，填補(bǔ)了我國(guó)近海上空大氣溫室氣體濃度高精度連續(xù)監(jiān)測(cè)的空白。獲取的數(shù)據(jù)將提供準(zhǔn)確的大氣溫室氣體背景場(chǎng)資料，對(duì)于精確計(jì)算溫室氣體海—?dú)馔?、?yōu)化模式參數(shù)化方案、數(shù)據(jù)同化、模型驗(yàn)證等方面工作具有重要科學(xué)價(jià)值；為進(jìn)一步開(kāi)展氣候變化、海洋酸化、海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)等研究提供必要的數(shù)據(jù)支撐。