姜亦飛，王先橋，王 丹，呂洪剛

（國家海洋環(huán)境預報中心 自然資源部海洋災害預報技術重點實驗室，北京 100081）

二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）是大氣中最主要的溫室氣體，貢獻了大氣輻射總強迫的83%（總輻射P734.4強迫為3.1W/m2），單位重量CH4的輻射強迫效應是CO2的20倍以上[1-5]。截至2020年11月，美國Mauna Loa全球大氣本底站觀測的大氣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數(shù)）分別達到了413.11×10-6（摩爾分數(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)增長將導致溫室效應繼續(xù)加強，進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制，對科學制定溫室氣體減排政策、積極應對氣候變化具有十分重要的意義[8]。

國外科研機構(gòu)于20世紀60年代開始對主要溫室氣體的本底濃度開展監(jiān)測，為全球氣候變化及碳循環(huán)等研究工作提供了大量基礎數(shù)據(jù)[4]。國內(nèi)溫室氣體監(jiān)測工作起步于20世紀80年代，中國氣象局陸續(xù)建成的青海瓦里關、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/全球大氣觀測計劃（World Meteorological Organization，WMO/Global Atmosphere Watch Programme，GAW）大氣本底站系列，并按照WMO/GAW的觀測規(guī)范和質(zhì)量標準開展觀測，積累了寶貴的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，該研究團隊在本底站溫室氣體觀測、評估和預測等方面做了大量的研究和分析工作，經(jīng)過多年研究成果總結(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)域的地面風速風向以及氣團輸送等[9]。

海洋是地球上最大的活躍碳庫，在氣候變化中發(fā)揮著不可替代的作用。我國大部分海域受季風影響顯著，大氣成分隨季節(jié)周期性變化。由于海—氣界面溫室氣體的物質(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領域的熱點。海洋作為大氣CO2最重要的匯區(qū)，作為大氣CH4的一個自然源[4]，在海島開展溫室氣體連續(xù)監(jiān)測對于區(qū)域CO2和CH4通量的估算、遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律、時空變化影響因子研究等具有重要意義。

1 監(jiān)測系統(tǒng)原理

常見的溫室氣體濃度在線監(jiān)測方法有“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“波長掃描-光腔衰蕩光譜法（WS-CRDS）”等[10]。隨著中紅外波段激光技術的發(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，CRDS方法一直是國內(nèi)外背景站和區(qū)域站的溫室氣體高精度業(yè)務化監(jiān)測的最重要手段[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（OAICOS），該項技術為全光譜掃描，采樣點密集，不受其他干擾物質(zhì)影響，掃描速度快（300次/秒），同步性強。OA-ICOS技術消除了CRDS技術在測量期間需要連續(xù)進行光腔與激光波長匹配以改善信號強度微弱的不足，使得分析不再需要進行復雜的激光準值調(diào)整、溫度控制和波長監(jiān)控，可以實時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的激光在光腔內(nèi)多次反射，反射鏡和目標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激光衰減到0的時間不同，即可定量樣品中目標氣體的濃度。MAHESH P等[14-15]發(fā)表的文獻中對該技術的原理和實際應用進行過比較詳細的描述。與傳統(tǒng)方法相比，該系統(tǒng)精度更高、分析迅速、無需眾多支持氣，操作維護非常簡單。

觀測系統(tǒng)使用的標準氣體以干潔自然大氣為底氣，由中國氣象局大氣成分觀測與服務中心配置和標定。定值結(jié)果可溯源至世界氣象組織（World Meteorological Organization，WMO）中心校標實驗室（Central Calibration Laboratory，CCL）維持的國際一級標氣。其廣泛應用于瓦里關、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的測量精度可分別優(yōu)于100×10-9和1×10-9，系統(tǒng)每天自動校準一次。此外，現(xiàn)場值班人員會定期對系統(tǒng)的硬件和軟件進行檢查和維護。

2 監(jiān)測系統(tǒng)設計

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

圖1 海島大氣溫室氣體監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

圖2 冷凝除水單元

氣體在進入自動校準系統(tǒng)前再經(jīng)0.45μm濾膜過濾，系統(tǒng)的自動校準模塊主要由電磁閥、控制程序和氣體管路等部分組成，我們通過控制程序設置切換標氣和樣氣的間隔時間（24 h），并通過電子閥實現(xiàn)氣體管路之間的自動切換。系統(tǒng)會根據(jù)輸入的標氣濃度值對測量結(jié)果實時校準，原始數(shù)據(jù)和校準數(shù)據(jù)將基于自然資源部專線實時傳輸至指定服務器，校準后的數(shù)據(jù)可以通過“碳同化可視化系統(tǒng)”實時顯示，實現(xiàn)該系統(tǒng)的業(yè)務化運行。同時，系統(tǒng)還包含了短信報警模塊，當結(jié)果出現(xiàn)超出“閾值”的異常值時，系統(tǒng)將通過CDMA將“異常值”發(fā)送至指定人員手機，相關人員將立即對系統(tǒng)和硬件進行檢查和研判。

3 誤差分析和數(shù)據(jù)篩分

3.1 系統(tǒng)標定

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

將低、中、高3種不同濃度的標氣依次通入系統(tǒng)進行標定，標定時間為15 min左右，系統(tǒng)的標定結(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，我們會將前5 min的數(shù)據(jù)剔除后再進行分析，如圖3（b）所示，0～5 min的數(shù)據(jù)在分析時將予以剔除。本系統(tǒng)設置的采樣頻率為1 Hz，論文分析所用標氣的濃度和標準偏差如表1所示。

圖3 數(shù)據(jù)標定及數(shù)據(jù)處理示意圖

表1 本文所使用標氣的濃度和標準偏差

3.2 誤差分析

為進一步研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性及準確性，本文對定標期間的儀器數(shù)據(jù)做了相關誤差分析，選用極差（X）、平均偏差（A.D.）、樣本標準偏差（S）以及一元線性判定系數(shù)（R2）來衡量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度，見式（1）—式（4），誤差分析結(jié)果見表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，通過對定標期間測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，極差、平均偏差、標準偏差均達到極高的精度，系統(tǒng)穩(wěn)定度較高，判定系數(shù)R2均達到了1，說明擬合的回歸方程為最優(yōu)方程，誤差水平與文獻報道的使用同樣型號儀器的觀測站非常接近[14]。

3.3 本底濃度數(shù)據(jù)篩分

為進一步研究系觀測區(qū)域大氣溫室氣體濃度會受到局地條件和人為活動影響，短時間內(nèi)造成濃度的迅速抬升，因此對觀測數(shù)據(jù)進行篩分能獲取真實反映該區(qū)域大氣溫室氣體本底特征的數(shù)據(jù)，是開展溫室氣體研究的基礎[18]。

常見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]在相關文獻中做過非常詳細的報道和對比研究。本文針對海洋大氣溫室氣體來源特征，采用局部近似回歸法，基于R數(shù)值統(tǒng)計軟件中的IDP-Misc程序包對海洋大氣溫室氣體濃度進行篩分。該方法由中國氣象科學研究院開發(fā)，經(jīng)比對證實可用于長期觀測數(shù)據(jù)本底濃度篩分[19]。局部近似回歸法是一種統(tǒng)計學方法，利用與均值差異大于3σ作為標準，對在一段較短時間內(nèi)對觀測值進行估計，并且考慮溫室氣體濃度長期或短期的微小變化，局部近似回歸擬合[20]。本底值為假設大氣均勻混合狀態(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增大或降低本底值，不會有不規(guī)則變動的情況發(fā)生。其原理如下[21]：

REBS算法，是將觀測的實際濃度值定義為Y（ti），則：

式中，g（ti）是本底濃度值；m（ti）是ti時刻的局部污染氣團所產(chǎn)生的影響。測量誤差Ei獨立且符合期望為0時的方差為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觀測數(shù)據(jù)為例：藍、綠色的點分別代表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，植物對大氣CO2的吸收作用增強，導致夏季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。本底濃度呈相對較平穩(wěn)的基線，波動?。环潜镜字挡▌虞^大，表明受到較強的區(qū)域排放源的影響。在以往的研究中，對觀測數(shù)據(jù)進行區(qū)域本底篩分一直是開展溫室氣體研究的一項基礎工作[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)計分析中，觀測數(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)實時傳輸依托自然資源部專線，而數(shù)據(jù)的捕獲和傳輸是項目組基于Python語言自行編制的軟件實現(xiàn)的，整個過程大致可以拆分成自動登錄、打開本地文件、自動傳輸、退出等步驟。

將數(shù)據(jù)所在位置設置為本地目錄，將服務器上存在且有權限訪問的目錄設置為遠端目錄，設置正確的IP地址和端口，根據(jù)需求選擇是否遞歸上傳、剪切/復制、自檢查，設置返回路徑等細節(jié)。數(shù)據(jù)傳輸過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)均為自動化，可實現(xiàn)無人值守運行工作狀態(tài)。

4.2 數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)

可視化系統(tǒng)的C/S客戶端應用系統(tǒng)采用C++作為主要開發(fā)語言，采用Visual C++6.0作為開發(fā)環(huán)境，系統(tǒng)中數(shù)據(jù)計算和本底篩分的腳本由項目組成員基于Matlab軟件自行編寫完成，系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)批量傳輸與自動化處理子系統(tǒng)和三維可視化信息服務子系統(tǒng)實現(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)測可視化系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)支持數(shù)據(jù)混合存儲模式，針對監(jiān)測數(shù)據(jù)采用文件存儲模式，針對計算的分鐘平均、日平均數(shù)據(jù)等采取數(shù)據(jù)庫存儲技術，依據(jù)數(shù)據(jù)不同類型、不同應用模式進行不同存儲，支持多源異構(gòu)數(shù)據(jù)管理。系統(tǒng)支持根據(jù)存儲數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)動態(tài)編目功能擴展，可為后期海量數(shù)據(jù)檢索、瀏覽提供基礎。系統(tǒng)亦包括三維可視化信息服務子系統(tǒng)，用于溫室氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)的高效展示，實現(xiàn)專題展示、綜合查詢、統(tǒng)計分析、剖面分析、動畫制作等功能，界面如圖6所示。通過屬性數(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行集成展示，并提供綜合查詢與空間分析，為各級領導科學決策提供依據(jù)。

圖6 數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的軟件界面

5 結(jié) 論

本文詳細介紹了海島基溫室氣體自動觀測系統(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內(nèi)容。基于上述工作，先后建成西沙永興島、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)測站，這4處選址分處中國東海、南海。該項工作可以獲得中國沿海廣大海域連續(xù)、高頻率、高精度的大氣溫室氣體數(shù)據(jù)，填補了我國近海上空大氣溫室氣體濃度高精度連續(xù)監(jiān)測的空白。獲取的數(shù)據(jù)將提供準確的大氣溫室氣體背景場資料，對于精確計算溫室氣體?！獨馔?、優(yōu)化模式參數(shù)化方案、數(shù)據(jù)同化、模型驗證等方面工作具有重要科學價值；為進一步開展氣候變化、海洋酸化、海洋生態(tài)環(huán)境保護等研究提供必要的數(shù)據(jù)支撐。