海島溫室氣體自動觀測系統的設計與實現

姜亦飛，王先橋，王 丹，呂洪剛

（國家海洋環境預報中心 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）分別達到了413.11×10-6（摩爾分數）和1 891.9×10-9，而工業革命前的大氣CO2和CH4只有約280×10-6和720×10-9，大氣溫室氣體濃度的持續增長將導致溫室效應繼續加強，進而直接影響全球氣候變化[6-7]。深入了解不同區域大氣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]。

國外科研機構于20世紀60年代開始對主要溫室氣體的本底濃度開展監測，為全球氣候變化及碳循環等研究工作提供了大量基礎數據[4]。國內溫室氣體監測工作起步于20世紀80年代，中國氣象局陸續建成的青海瓦里關、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的觀測規范和質量標準開展觀測，積累了寶貴的經驗和數據，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，經過多年研究成果總結出，影響區域溫室氣體濃度日變化的主要因素是該區域的植被的光合和呼吸作用以及人為活動排放；影響區域溫室氣體濃度季節變化的主要因素是該區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，大氣成分隨季節周期性變化。由于海—氣界面溫室氣體的物質交換是估算通量的最重要環節，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，作為大氣CH4的一個自然源[4]，在海島開展溫室氣體連續監測對于區域CO2和CH4通量的估算、遷移轉化規律、時空變化影響因子研究等具有重要意義。

1 監測系統原理

常見的溫室氣體濃度在線監測方法有“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展與成熟，CRDS方法的腔內反射次數有效減少，信噪比也顯著提高，近年來，CRDS方法一直是國內外背景站和區域站的溫室氣體高精度業務化監測的最重要手段[11]。

本系統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整、溫度控制和波長監控，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。與傳統方法相比，該系統精度更高、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域大氣本底站[16-17]；本系統CO2和CH4的測量精度可分別優于100×10-9和1×10-9，系統每天自動校準一次。此外，現場值班人員會定期對系統的硬件和軟件進行檢查和維護。

2 監測系統設計

本文介紹的海島基大氣溫室氣體監測系統的示意圖如圖1所示：系統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域環境帶來的影響，進氣管為外徑10 mm的Syflex1300內部鍍膜專用進氣管，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，系統會自動切換至另一條管路，而之前管路內的冰將自行融化，由蠕動泵排除，依次交替，循環反復。

圖1 海島大氣溫室氣體監測系統示意圖

圖2 冷凝除水單元

氣體在進入自動校準系統前再經0.45μm濾膜過濾，系統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），并通過電子閥實現氣體管路之間的自動切換。系統會根據輸入的標氣濃度值對測量結果實時校準，原始數據和校準數據將基于自然資源部專線實時傳輸至指定服務器，校準后的數據可以通過“碳同化可視化系統”實時顯示，實現該系統的業務化運行。同時，系統還包含了短信報警模塊，當結果出現超出“閾值”的異常值時，系統將通過CDMA將“異常值”發送至指定人員手機，相關人員將立即對系統和硬件進行檢查和研判。

3 誤差分析和數據篩分

3.1 系統標定

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定是數據準確的最關鍵因素[16]，因此，給觀測系統提供一個干燥、恒溫的外部環境是獲取高質量數據的首要條件。而標定是任何測量系統排除儀器漂移、提高系統精度的關鍵環節。

將低、中、高3種不同濃度的標氣依次通入系統進行標定，標定時間為15 min左右，系統的標定結果如圖3（a）所示。一般情況下，考慮到氣體在光腔內部的滯留，我們會將前5 min的數據剔除后再進行分析，如圖3（b）所示，0～5 min的數據在分析時將予以剔除。本系統設置的采樣頻率為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 數據標定及數據處理示意圖

表1 本文所使用標氣的濃度和標準偏差

3.2 誤差分析

為進一步研究系統的穩定性及準確性，本文對定標期間的儀器數據做了相關誤差分析，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（R2）來衡量系統的穩定性和精度，見式（1）—式（4），誤差分析結果見表2。

表2 誤差分析結果（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據的統計分析，極差、平均偏差、標準偏差均達到極高的精度，系統穩定度較高，判定系數R2均達到了1，說明擬合的回歸方程為最優方程，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 本底濃度數據篩分

為進一步研究系觀測區域大氣溫室氣體濃度會受到局地條件和人為活動影響，短時間內造成濃度的迅速抬升，因此對觀測數據進行篩分能獲取真實反映該區域大氣溫室氣體本底特征的數據，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，FANG 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數值統計軟件中的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，經比對證實可用于長期觀測數據本底濃度篩分[19]。局部近似回歸法是一種統計學方法，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的值，是大氣環境中可能的最低值，因此任何源或匯的因素只會增大或降低本底值，不會有不規則變動的情況發生。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2年的CO2觀測數據為例：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域或局地排放源和吸收匯的影響，使CO2濃度出現較大的抬升或明顯的降低。本底濃度呈相對較平穩的基線，波動小；非本底值波動較大，表明受到較強的區域排放源的影響。在以往的研究中，對觀測數據進行區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

上述統計分析中，觀測數據中約66.3%的數據被篩分為本底濃度值；20.6%的數據為源抬升濃度值（受區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

4.1 數據傳輸系統

系統的數據實時傳輸依托自然資源部專線，而數據的捕獲和傳輸是項目組基于Python語言自行編制的軟件實現的，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。

將數據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。數據傳輸過程必須考慮傳輸安全和數據備份。目前，該系統所有環節均為自動化，可實現無人值守運行工作狀態。

4.2 數據可視化系統

可視化系統的C/S客戶端應用系統采用C++作為主要開發語言，采用Visual C++6.0作為開發環境，系統中數據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，系統基于數據批量傳輸與自動化處理子系統和三維可視化信息服務子系統實現。系統的功能模塊如圖5所示。

圖5 溫室氣體數據監測可視化系統功能模塊

系統支持數據混合存儲模式，針對監測數據采用文件存儲模式，針對計算的分鐘平均、日平均數據等采取數據庫存儲技術，依據數據不同類型、不同應用模式進行不同存儲，支持多源異構數據管理。系統支持根據存儲數據的元數據動態編目功能擴展，可為后期海量數據檢索、瀏覽提供基礎。系統亦包括三維可視化信息服務子系統，用于溫室氣體監測數據的高效展示，實現專題展示、綜合查詢、統計分析、剖面分析、動畫制作等功能，界面如圖6所示。通過屬性數據、元數據、專題編目結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。

圖6 數據可視化系統的軟件界面

5 結 論

本文詳細介紹了海島基溫室氣體自動觀測系統的組成、工作原理、誤差分析、數據篩分及軟件功能等相關內容。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、高頻率、高精度的大氣溫室氣體數據，填補了我國近海上空大氣溫室氣體濃度高精度連續監測的空白。獲取的數據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海—氣通量、優化模式參數化方案、數據同化、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、海洋生態環境保護等研究提供必要的數據支撐。