大气悟理丨二氧化碳监测：更小更快更强

编者按：看寒来暑往云卷云舒，思古往今来气候变迁，中科院之声与中国科学院大气物理研究所联合开设“大气悟理”，为大家介绍大气里发生的有趣故事，介绍一些与天气、气候和环境相关的知识。

导读：在广告中我们可能都听过这么一句：小身材有大能量。在进行大气边界层CO₂探测的时候，也有这么一个”小个子”，它小小的身躯有大大的作用。它是谁呢？

在郊区，总有那么几个“神秘“的地方——在这里，你看不到高楼和人群，只有几个大大的烟囱，在不停向外”吞云吐雾“。有的时候，他们直直冲向天空，而有的时候，即使没有风，他们也会半路拐个弯，近水平地飘向未知的远方。

唐贵谦 摄

这个具备让废气“改道”能力的，就是大气边界层（PBL）的逆温顶盖了。可千万别被名字误导了，大气边界层可不是离地球最远的大气层，而是指大气最底层，靠近地球表面、受地面摩擦阻力影响的大气层区域。由于接近地球表面，各种粗糙元（如房屋、树木）都会使大气流动受阻，这种摩擦带来的阻力会随高度逐渐减小，到某一位置后便可忽略，而这一高度就是大气边界层厚度了，它会随着地面特点变化，一般为1-2km高。

（图片来自网络）

而作为与我们生活最息息相关的大气层，大气边界层是地气相互作用、大气污染过程的重要界面。大气边界层结构决定了大气传输、扩散，直接影响近地面大气成分的时空分布。不仅是污染物，这一层中温室气体——如CO₂的变化，也受到了巨大的关注。

由于与地表“热切“地进行热量、动量、水汽和其他物质的交换，这一层中的大气十分好动，不仅尺度小，运动还完全随机。就像河水流速太快会呈现出一个个小漩涡，流场中大气也是完全没有章法（上图中各式各样的烟囱排烟就是），被称为大气湍流。在这样复杂的条件下，要想探测CO₂的垂直分布，可不是个容易事儿。

大气湍流示意（图片来源：NORTEK）

2016年，我国发射了TANSAT（碳卫星），跻身拥有嗅碳卫星国家的前三名，可以说一件让人挺起胸脯的自豪事。它就像孙悟空的火眼金睛，可以监控大气中不同高度上CO₂的一举一动。

（图片来自网络）

但是，卫星监测并非完美无缺，他们有时会被云和气溶胶“迷了眼”，导致云下大气边界层中测量出来的CO₂浓度也是虚虚实实，分不清真假。地面观测尝试来填补这个空白，但是它毕竟只能给出”面”上单个点的变化，面对上天入地无所不能的CO₂，他也只能抬头叹气了。为了测量边界层中CO₂的垂直分布，科学家可谓是绞尽脑汁。气象观测塔、飞机、探空气球和系留气艇轮番上阵。

北京气象塔（左）与探空气球（右）

气象塔虽高，观测高度也到不了边界层上部——就连大气物理研究所的亚洲第二高气象塔，也只到325m高，远远够不到2km的边。

飞机和探空气球也可用于大气边界层内的CO₂监测，并且检测精度高。可是搭载传统监测仪器，会受到仪器体积大，质量重的限制，总是没有那么灵活。

携带高精度CO₂监测仪器的飞机起飞（图片来源：韩鹏飞）

更重要的是，飞一次委实太贵，贪心想要更多数据的科研人员容易经费“告急“，再加上他们的垂直分辨率只有100-200m，实在无法满足高性价比要求。

（图片来自网络）

两难之时，个子最小的系留气艇站了出来。在兄弟姐妹里，它看似能力最弱——无法独立飞行，需要缆绳控制；飞行高度较低——最高只能飞到2km。但依靠肚子里的氦气，系留缆索的牵拉，它可以依靠浮力在空中特定范围内实现固定高度、长时间的驻留（连续滞空的时间是几天至一个月）。同时由于构造简单，它部署简单灵活，不管是造价还是维护费用都很低。更重要的是，它的垂直分辨率高达40m。这让研究人员眼前一亮——这难道不是边界层测量CO₂的最佳选手么！

实验用系留气艇（唐贵谦 摄）

搞定了载体，市面上的CO₂探测仪这么多，究竟哪一个最适合跟着系留气艇一起高性价比“出道“？

传统标准仪器在背景浓度的高精度观测中可以起到大作用，但它实在是个大家伙，和配套系统动辄需要占地数平米，重量达到几十千克。这对系留气艇而言，实在是个带不动的队友。

中科院大气物理研究所，碳循环与气候变化研究团队成员和马兰里大学曾宁教授经过多年的携手努力，成功研发出了一种基于非分散红外技术（NDIR）的低成本微型化CO₂监测仪。

传统高精度仪器与微型化仪器大小对比（图片来源: 韩鹏飞）

与传统标准仪器相比，微型化仪器妥妥是个观测界的小个子。但它小小的身体里蕴含着大大的能量：不仅体积小（长宽高均不超过30 cm），质量轻（小于1千克，仅为传统仪器的几十分之一），而且精度高（一般为2-5 ppmv, 1 ppmv=百万体积分之一），在捕捉大气CO₂浓度的昼夜和逐日变化（通常几十至上百个ppmv）这个“主战场”里可以说是游刃有余，凭借“小轻强”的优势，与系留气艇组成了最佳CP。

（图片来自网络）

它的过人之处还可不止如此，通过结合先进的传感器技术、互联网技术、无线通信技术，不仅能实现对环境CO₂浓度的实时监测，还可作为网格化固定站点以及不固定点位的流动监测。

当然，微型化仪器并不是十全十美。它占据了体积的优势，就牺牲了一部分精度——传统高精度仪器精度是它的10倍以上，可达0.2ppmv。但是他们俩应用场景不同：高精度仪器用于大气本底监测，微型化仪器则用于城市高密度监测（包括定点监测、移动车辆观测）和探空监测。可以说，它们在各自的战场里各自发挥着作用。

2019年1月8日—14日，研究人员就将该仪器搭载到系留气艇垂直探测系统上，成功对河北省石家庄市西南地区边界层(0-1000 m)的CO₂垂直分布进行了原位观测。王跃思研究员课题组王迎红博士同步采集了不同高度的气体样品，在实验室用气相色谱仪进行了精准测量。

微型化仪器用于系留气艇垂直观测（唐贵谦 摄）

文章通讯作者，大气物理研究所韩鹏飞博士和硕士生包钟秀及合作者通过数据对比分析，发现微型化仪器与传统气相色谱分析仪得到的CO₂垂直廓线非常一致。同时CO₂浓度基本呈现随高度增加而降低的趋势，且边界层中CO₂浓度的垂向分布主要受边界层稳定性和排放源的影响，大气模式模拟试验进一步证实了这些结果。这些研究成果发表在了Atmospheric and Oceanic Science Letters上。

CO₂排放和大气传输示意图，应用低成本仪器搭载到系留汽艇可成功观测其垂直廓线（图片来源：韩鹏飞）

同时，基于国家重点研发计划项目(2017YFB0504000)的支持，研究人员利用这一“宜静宜动”的微型化仪器，在京津冀地区组建高密度观测网，在公里级尺度上观测了城市CO₂的时空变化。

京津冀城市群高密度组网观测部分监测点示意（图片来源：韩鹏飞）

其实在观测的世界里，研究人员一直不懈追寻着“物美价廉“ 的存在。微型化仪器可以说为CO₂垂直观测提供了更简单高效的方法，可以说它应用前景广阔，具有很高的推广价值。

受新型冠状病毒影响，2020年全球由化石燃料产生的CO₂排放量预计将减少7％。不过，我们需要认识到，即使这是二战以来的最大急剧降幅，全球变暖的长期趋势并未减缓。作为《巴黎协定》执行情况的评估标准之一，CO₂排放量的监测依然是重中之重。而在微型化仪器的帮助下，我们将能更快的掌握CO₂在边界层内高精度分布的规律和特点，这将为我国碳减排和低碳发展的政策制定提供更多科学依据。

参考文献：

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.郭育红, 辛金元, 王跃思,等. 保定市大气颗粒物中含碳组分粒径分布[J]. 气候与环境研究, 2014, 019(002):185-192.