国际经验 | 温室气体排放监测如何开展？美国加州经验分享
2022年10月12日
编辑：亚洲清洁空气中心 李宏超
“十四五”时期是生态环境质量改善由量变到质变的关键时期，面对实现绿色低碳发展和碳达峰、碳中和目标的需求，在我国开展温室气体排放监测工作尤为重要。生态环境部发布的《“十四五”生态环境监测规划》中明确提出，要补齐碳监测技术短板，构建温室气体监测技术体系和质量控制体系，同时推进碳监测评估试点和开展消耗臭氧层物质等其他履约监测。这明确了我国温室气体排放监测工作未来的发展重点。美国加州地区在温室气体排放监测中取得的经验，可以为我国相关工作的开展提供借鉴。
加州空气资源委员会（CARB）是美国加州地区负责空气质量管理和应对气候变化的政府机构，于2010年启动了温室气体监测网络，以研究和评估加州区域内的温室气体排放趋势，并帮助建立更精准的区域温室气体排放清单。除了监测温室气体外，监测网络还针对人为燃烧排放源指示物一氧化碳进行监测，并将风速、风向和温度等气象参数纳入监测指标。
CARB温室气体监测网络分布
CARB温室气体监测站点基本情况
第一步，使用拉格朗日粒子弥散模型 (LPDM) 模拟得到粒子轨迹，再使用大气输送模型和粒子轨迹计算场地的大气排放足迹。排放足迹表征测量站点的浓度对每个网格单元的单位排放通量变化的敏感性，可以用来表示当地表排放变化一个单位时测量站点浓度变化量的信息。
第二步，将历史温室气体排放清单估算的排放量与排放足迹相乘，得出上风向排放源排放的温室气体浓度的增长情况，和上风向背景浓度相加后，得到模拟温室气体排放浓度。
第三步，将模拟温室气体排放浓度数据与监测数据进行比较, 然后采用统计技术（比如贝叶斯模型）优化温室气体通量，使模拟的大气温室气体浓度与观测值更好地吻合，最后得到排放源排放数据。
排放溯源技术分析手段可以帮助更加精准和全面地了解区域排放情况。CARB对2014年至2016年间在MWO监测点收集到的空气样本中21种化合物（包括一氧化碳、二氧化碳、甲烷、烷烃、烯烃、苯、乙苯和二甲苯）的浓度进行了源解析，分析确定了甲烷的主要排放源包括垃圾填埋场、石油气、工业过程、化石燃料燃烧、石油精炼、天然气和生物源。
“十四五”时期是生态环境质量改善由量变到质变的关键时期，面对实现绿色低碳发展和碳达峰、碳中和目标的需求，在我国开展温室气体排放监测工作尤为重要。生态环境部发布的《“十四五”生态环境监测规划》中明确提出，要补齐碳监测技术短板，构建温室气体监测技术体系和质量控制体系，同时推进碳监测评估试点和开展消耗臭氧层物质等其他履约监测。这明确了我国温室气体排放监测工作未来的发展重点。美国加州地区在温室气体排放监测中取得的经验，可以为我国相关工作的开展提供借鉴。
以区域为尺度，多站点、多手段获取排放数据
加州空气资源委员会（CARB）是美国加州地区负责空气质量管理和应对气候变化的政府机构，于2010年启动了温室气体监测网络，以研究和评估加州区域内的温室气体排放趋势，并帮助建立更精准的区域温室气体排放清单。除了监测温室气体外，监测网络还针对人为燃烧排放源指示物一氧化碳进行监测，并将风速、风向和温度等气象参数纳入监测指标。
温室气体监测网络对已知温室气体排放源位置、区域风轨分析、现存温室气体排放监测位置等信息进行分析，设置监测点，并根据监测功能不同，对监测点进行功能分区。其独立运行的监测点主要分布在中央山谷和南部海岸地区：Tuscan Buttes 监测点（TSB）和Sutter Buttes 监测点（STB）位于中央山谷北部，Madera 监测点（MAD）、Tranquility 监测点（TRA）和Arvin监测点（ARV）位于中央山谷南部，用于甲烷排放监测。其中，MAD、TRA、ARV监测点用于测量中央山谷内混合排放源释放的甲烷。Mt. Wilson 监测点（MWO）位于圣盖博山区域，用于观测和评估从东南和西南偏西方向扩散而来的城市气体污染物。San Bernardino监测点（SBC）位于高塔之上，可以覆盖更大区域范围、采集不同高度的空气样本，用于分析监测气体的垂直分布情况。
CARB温室气体监测网络分布
CARB温室气体监测站点基本情况
除了地面监测和高塔监测装置，温室气体监测网络还使用卫星、小型飞机等高空监测手段，以更加全面地了解温室气体的排放来源。比如在甲烷排放的监测中，温室气体监测网络使用小型飞机遥测的方式在不同的高度提取甲烷点源，并将数据共享给其他科研机构，更好地了解测算与排放清单之间的数据差距。
服务于排放清单构建，助力实现区域减排目标
在获取监测数据后，CARB采用大气反演方法将在现场或遥感测量的温室气体浓度以及模拟的气象条件相结合，以获得独立的温室气体排放清单，自下而上评估温室气体排放情况。具体操作如下：
第一步，使用拉格朗日粒子弥散模型 (LPDM) 模拟得到粒子轨迹，再使用大气输送模型和粒子轨迹计算场地的大气排放足迹。排放足迹表征测量站点的浓度对每个网格单元的单位排放通量变化的敏感性，可以用来表示当地表排放变化一个单位时测量站点浓度变化量的信息。
第二步，将历史温室气体排放清单估算的排放量与排放足迹相乘，得出上风向排放源排放的温室气体浓度的增长情况，和上风向背景浓度相加后，得到模拟温室气体排放浓度。
第三步，将模拟温室气体排放浓度数据与监测数据进行比较, 然后采用统计技术（比如贝叶斯模型）优化温室气体通量，使模拟的大气温室气体浓度与观测值更好地吻合，最后得到排放源排放数据。
反向建模系统框架图
排放溯源技术分析手段可以帮助更加精准和全面地了解区域排放情况。CARB对2014年至2016年间在MWO监测点收集到的空气样本中21种化合物（包括一氧化碳、二氧化碳、甲烷、烷烃、烯烃、苯、乙苯和二甲苯）的浓度进行了源解析，分析确定了甲烷的主要排放源包括垃圾填埋场、石油气、工业过程、化石燃料燃烧、石油精炼、天然气和生物源。
示踪剂-示踪分析是CARB使用的另一种技术分析手段，使用这种分析手法的前提是监测区域的大气气团混合良好。CARB发现MWO监测点采集到的甲烷和一氧化碳比例一致，由此推断甲烷和一氧化碳在到达监测站点之前已充分混合，并且两种物质的排放源贡献相对恒定。
因此，CARB使用示踪剂-示踪分析法，计算洛杉矶盆地的温室气体排放。由于甲烷和一氧化碳在洛杉矶市区内扩散的时间尺度上是不发生化学反应的，且它们的排放源分布相似并受到相似尺度的大气输送和稀释的影响，所以CARB用线性回归模型来推导环境中甲烷和一氧化碳浓度之间的统计关系，再结合已知的一氧化碳排放量计算洛杉矶盆地的甲烷排放量。
CARB将监测网络获取的甲烷数据分享给监管方或者执法部门，将数据的使用范围扩展至其他区域，支持更大范围的减排工作，并提出政策建议，帮助监管部门达成排放管理目标。
此外，CARB还与政府部门、油气生产企业合作，在基础设施项目点开展甲烷排放的遥测，快速锁定泄露排放情况，帮助相关方及时采取措施。
本文根据美国加州空气资源委员会研究规划、行政和减排部门主任Jorn Dinh Herner在2022杭州湾大气污染与温室气体协同控制研讨会中的发言及机构提供的相关素材整理而成。原文发表于中国环境APP。
本文根据美国加州空气资源委员会研究规划、行政和减排部门主任Jorn Dinh Herner在2022杭州湾大气污染与温室气体协同控制研讨会中的发言及机构提供的相关素材整理而成。原文发表于中国环境APP。
