城市温室气体CO2、CH4、N2O移动式测量应用
城市已成为全球碳排放研究的热点区域。
城市温室气体移动式测量能提供温室气体排放源的具体位置和释放速率信息，从而帮助决策者制定合理的城市发展规划及减排政策。
为帮助广大研究工作者深入了解这一新兴科研领域，6月17日，LI-COR应用科学家Dave Johnson、Graham Leggett、George Burba就这一主题和大家分享了城市温室气体（CO2、CH4、N2O）移动式测量方法，以及这些测量数据的实际应用价值。
在上一期中，Graham Leggett博士给大家讲解了由TGA（LI-7810/ LI-7815/ LI-7820）组成的移动式测量平台。在接下来的报告中，George Burba博士将为大家介绍由另一种气体分析仪组成的移动式测量平台，和TGA系列不同，这种分析仪的测量速度更快，功耗更低。
讲座内容从下面视频的30'42"开始。
Stationary concentration
measurements and mobile monitoring
:using "fast" instrumentation
George Burba
翻译 | 子毅
谢谢Graham的报告。由于时间的关系，我会简明扼要的介绍基本概念和应用案例。如果您有任何问题，都欢迎和我们联系，我们会针对您的具体问题，为您提供定制化的测量解决方案。
先从快速或者称为高频的测量仪开始吧。
这些具快速测量能力的仪器常被整合进涡度相关的测量系统中，用于温室气体通量的直接测量。一般来说，这类仪器测量频率快，可以从10Hz到40Hz。当部署到车载或机载平台之后，可以得到高分辨率的地图数据。这类仪器功耗低，适用场合广泛。
目前有3种不同类型的仪器，这种分类是基于仪器物理结构上的区别而划分的。第一种是开路式测量系统，气流能直接通过其测量光路，如下面最左边的图（Open Path）；中间这种是传统的闭路式测量仪，采样管被安装在塔顶，采集的气体通过长管被运送到塔底的分析仪内进行测量；最后一种是现代闭路式测量仪，这类分析仪的进气管短，使得其测量表现与开路式的旗鼓相当。您可以这样理解，现代闭路式测量仪兼具了开路式和传统闭路式测量的优点。
如果基于测量原理划分，气体分析仪可划分为化学（Chemical）、光学（Optical）、电学（Electrical）三类。化学和电学测量方法适用于气体浓度值高的样品，而如果气体浓度值低，目前最主流的测量方法就是光学测量法（Optical）。
气体分析仪可划分为化学（Chemical）、光学（Optical）、电学（Electrical）三类
光学测量有两类，快速和慢速测量。快速测量又有Broadband和Narrowband之分。Broadband意味着，发射源的光谱较宽；Narrowband光源的光谱很窄，通常为各种波长的激光。
Broadband一般分布在红外光区（Infrared Region），因此常被称为非色散红外气体（NDIR）分析仪或IRGA分析仪，这种类型的分析仪特别适合测量CO2和H2O浓度。
大气中的其他温室气体，如CH4和N2O，就需要用另外的方式来测量。Broadband测量方法采用直接吸收法。激光的测量方法（Narrowband光源）一般不使用直接吸收的方法，通常会利用激光的光谱形变来计算气体浓度。
下面我们来看一些商用的测量仪器，首先从红外气体分析仪开始，例如闭路式的红外气体分析仪LI-7200和开路式的红外气体分析仪LI-7500。
这两种类型的气体分析仪经历过数次迭代。LI-7500于二十世纪90年代推向市场，LI-7200的出现时间稍晚。设计之初，是为了涡度相关的测量。然而，除了应用于涡度相关，这两种仪器还可用于大气浓度廓线、梯度测量，或是冠层光合测量。
除此之外，机载、船载式测量，能实现气体浓度在地图上的直观显示，如陆地或海洋上方大气中的CO2浓度观测。
这是“Breathe London”项目（详情请登录https://www.breathelondon.org）。
LI-7200闭路式CO2/H2O分析仪安装在Google街景汽车上。除此之外，该测量系统中还有NOx、颗粒物、臭氧传感器。整个伦敦市区还有一个由低成本传感器组成的观测网络。该项目备受关注，照片是伦敦市市长Sadiq Kahn在该项目的发布会现场。
测量数据显示，CO2、NOx以及空气颗粒物排放呈现出很强的一致性，会随车流的增加而升高。街景汽车上部署的摄像头和统计软件可以计算交通车流量。这样，多图层数据分析能为城市交通规划提供理论支持，进而改善城市空气质量。
下面这款是开路式、采用激光技术测量CH4浓度的设备——LI-7700。
从图中，您能看到，LI-7700有多种应用场景，机载、车载均可。LI-7700的采样频率能达到40Hz，常被用于涡度相关、土壤温室气体释放测量等研究。
下面我们来看几个例子。
研究项目位于加州南部海岸空气质量管理区（South Coast Air Quality Management District），研究者关注空气质量和相关管理。
这是CH4的数据图，这种数据图可帮助确认CH4的泄露位点，其中红色路段检测到的CH4浓度超过50ppm，远超背景浓度2ppm，意味着在测量地附近存在很强的CH4的泄露。
第二个例子是意大利国家研究委员会的一个项目。您能看到，在机头，有一个LI-7500 CO2/H2O分析仪。在机头有一个进气管，气体被送入飞机内部使用LI-7700测量CH4浓度。研究者们关注垃圾填埋场的CH4释放。
这里是一大片垃圾废料储放地，污染程度高。另外，这里还有一个大型的垃圾填埋场。垃圾堆积过程容易引发火灾（登录www.ariasana.org 了解更多）。
鼠标所指的地方是垃圾填埋场，当机载测量设备经过此处时，能观测到CH4浓度的强烈升高，浓度超过3.0ppm。和垃圾填埋场的CH4数据类似，在废物垃圾堆放地，CH4浓度也会增加，尤其在其下风向处，能测量到4.0ppm以上的浓度。
最后一个例子是LI-7700（5.2kg）的机载测量。研究团队来自劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory），他们采用这种方式测量湿地生态系统CH4的季节性排放。
总结一下，当我们对样地的温室气体释放进行研究时，定点（涡度相关）和移动式测量都能发挥重要作用。
快速测量仪能提供高时空分辨率的数据。开路测量方式使其功耗更低，但同时更容易受到震动和镜面污染的影响。
在全球范围内，还有很多团队做过或正在进行类似研究。这是我们为美国地球物理联合会AGU制作的海报。
如果您有任何问题，或是想和其中任何一个研究组取得联系，我们都乐意为您提供帮助！
城市温室气体移动式测量能提供温室气体排放源的具体位置和释放速率信息，从而帮助决策者制定合理的城市发展规划及减排政策。
为帮助广大研究工作者深入了解这一新兴科研领域，6月17日，LI-COR应用科学家Dave Johnson、Graham Leggett、George Burba就这一主题和大家分享了城市温室气体（CO2、CH4、N2O）移动式测量方法，以及这些测量数据的实际应用价值。
在上一期中，Graham Leggett博士给大家讲解了由TGA（LI-7810/ LI-7815/ LI-7820）组成的移动式测量平台。在接下来的报告中，George Burba博士将为大家介绍由另一种气体分析仪组成的移动式测量平台，和TGA系列不同，这种分析仪的测量速度更快，功耗更低。
讲座内容从下面视频的30'42"开始。
城市温室气体（CO2、CH4、N2O）移动式测量
——快速测量系统
——快速测量系统
Stationary concentration
measurements and mobile monitoring
:using "fast" instrumentation
George Burba
翻译 | 子毅
谢谢Graham的报告。由于时间的关系，我会简明扼要的介绍基本概念和应用案例。如果您有任何问题，都欢迎和我们联系，我们会针对您的具体问题，为您提供定制化的测量解决方案。
先从快速或者称为高频的测量仪开始吧。
这些具快速测量能力的仪器常被整合进涡度相关的测量系统中，用于温室气体通量的直接测量。一般来说，这类仪器测量频率快，可以从10Hz到40Hz。当部署到车载或机载平台之后，可以得到高分辨率的地图数据。这类仪器功耗低，适用场合广泛。
快速测量仪的特点
目前有3种不同类型的仪器，这种分类是基于仪器物理结构上的区别而划分的。第一种是开路式测量系统，气流能直接通过其测量光路，如下面最左边的图（Open Path）；中间这种是传统的闭路式测量仪，采样管被安装在塔顶，采集的气体通过长管被运送到塔底的分析仪内进行测量；最后一种是现代闭路式测量仪，这类分析仪的进气管短，使得其测量表现与开路式的旗鼓相当。您可以这样理解，现代闭路式测量仪兼具了开路式和传统闭路式测量的优点。
3种不同类型的仪器
如果基于测量原理划分，气体分析仪可划分为化学（Chemical）、光学（Optical）、电学（Electrical）三类。化学和电学测量方法适用于气体浓度值高的样品，而如果气体浓度值低，目前最主流的测量方法就是光学测量法（Optical）。
气体分析仪可划分为化学（Chemical）、光学（Optical）、电学（Electrical）三类
光学测量有两类，快速和慢速测量。快速测量又有Broadband和Narrowband之分。Broadband意味着，发射源的光谱较宽；Narrowband光源的光谱很窄，通常为各种波长的激光。
Broadband一般分布在红外光区（Infrared Region），因此常被称为非色散红外气体（NDIR）分析仪或IRGA分析仪，这种类型的分析仪特别适合测量CO2和H2O浓度。
大气中的其他温室气体，如CH4和N2O，就需要用另外的方式来测量。Broadband测量方法采用直接吸收法。激光的测量方法（Narrowband光源）一般不使用直接吸收的方法，通常会利用激光的光谱形变来计算气体浓度。
下面我们来看一些商用的测量仪器，首先从红外气体分析仪开始，例如闭路式的红外气体分析仪LI-7200和开路式的红外气体分析仪LI-7500。
闭路式的红外气体分析仪LI-7200和
开路式的红外气体分析仪LI-7500
开路式的红外气体分析仪LI-7500
这两种类型的气体分析仪经历过数次迭代。LI-7500于二十世纪90年代推向市场，LI-7200的出现时间稍晚。设计之初，是为了涡度相关的测量。然而，除了应用于涡度相关，这两种仪器还可用于大气浓度廓线、梯度测量，或是冠层光合测量。
LI-7200和LI-7500的多种应用场景
除此之外，机载、船载式测量，能实现气体浓度在地图上的直观显示，如陆地或海洋上方大气中的CO2浓度观测。
这是“Breathe London”项目（详情请登录https://www.breathelondon.org）。
LI-7200闭路式CO2/H2O分析仪安装在Google街景汽车上。除此之外，该测量系统中还有NOx、颗粒物、臭氧传感器。整个伦敦市区还有一个由低成本传感器组成的观测网络。该项目备受关注，照片是伦敦市市长Sadiq Kahn在该项目的发布会现场。
“Breathe London”项目
测量数据显示，CO2、NOx以及空气颗粒物排放呈现出很强的一致性，会随车流的增加而升高。街景汽车上部署的摄像头和统计软件可以计算交通车流量。这样，多图层数据分析能为城市交通规划提供理论支持，进而改善城市空气质量。
空气污染的城市地图
下面这款是开路式、采用激光技术测量CH4浓度的设备——LI-7700。
从图中，您能看到，LI-7700有多种应用场景，机载、车载均可。LI-7700的采样频率能达到40Hz，常被用于涡度相关、土壤温室气体释放测量等研究。
LI-7700的多种应用场景：车载、机载等
下面我们来看几个例子。
研究项目位于加州南部海岸空气质量管理区（South Coast Air Quality Management District），研究者关注空气质量和相关管理。
车载式CH4测量平台
这是CH4的数据图，这种数据图可帮助确认CH4的泄露位点，其中红色路段检测到的CH4浓度超过50ppm，远超背景浓度2ppm，意味着在测量地附近存在很强的CH4的泄露。
移动式测量帮助确定CH4泄露位点
第二个例子是意大利国家研究委员会的一个项目。您能看到，在机头，有一个LI-7500 CO2/H2O分析仪。在机头有一个进气管，气体被送入飞机内部使用LI-7700测量CH4浓度。研究者们关注垃圾填埋场的CH4释放。
意大利国家研究委员会的机载温室气体测量平台
这里是一大片垃圾废料储放地，污染程度高。另外，这里还有一个大型的垃圾填埋场。垃圾堆积过程容易引发火灾（登录www.ariasana.org 了解更多）。
意大利Terra dei Fuochi研究区：垃圾填埋场等
鼠标所指的地方是垃圾填埋场，当机载测量设备经过此处时，能观测到CH4浓度的强烈升高，浓度超过3.0ppm。和垃圾填埋场的CH4数据类似，在废物垃圾堆放地，CH4浓度也会增加，尤其在其下风向处，能测量到4.0ppm以上的浓度。
垃圾填埋场、废物垃圾堆放地附近的CH4浓度明显高于背景浓度
最后一个例子是LI-7700（5.2kg）的机载测量。研究团队来自劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory），他们采用这种方式测量湿地生态系统CH4的季节性排放。
无人机搭载LI-7700测量湿地CH4排放
总结一下，当我们对样地的温室气体释放进行研究时，定点（涡度相关）和移动式测量都能发挥重要作用。
快速测量仪能提供高时空分辨率的数据。开路测量方式使其功耗更低，但同时更容易受到震动和镜面污染的影响。
在全球范围内，还有很多团队做过或正在进行类似研究。这是我们为美国地球物理联合会AGU制作的海报。
LI-COR为美国地球物理联合会AGU制作的海报
如果您有任何问题，或是想和其中任何一个研究组取得联系，我们都乐意为您提供帮助！
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气体分析 li-cor
