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美國加州長期面臨氣候變化的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，近年來多次經(jīng)歷林火、干旱、洪水等一系列自然災(zāi)害，使得應(yīng)對氣候變化成為加州亟需解決的問題。2006年，加州政府通過第32號議會法案(Assembly Bill 32)，明確提出“到2020年，加州將其溫室氣體排放量減少到1990年水平”的目標(biāo)，并要求加州空氣資源委員會(California Air Resources Board, CARB)建立世界上第一個全面的監(jiān)管和市場機制計劃，以實現(xiàn)可量化的、成本有效的溫室氣體減排。此后，加州政府陸續(xù)通過多項法案及行政命令，對溫室氣體減排目標(biāo)的時間進程及行業(yè)減排要求做出明確規(guī)定。
2000-2020年間，加州的GDP增長了50%以上，但溫室氣體排放總量、人均溫室氣體排放量與單位GDP溫室氣體排放量分別下降約20%、30%和50%，實現(xiàn)了GDP和溫室氣體排放的脫鉤。加州有效的溫室氣體排放管控，有賴于完善的溫室氣體監(jiān)測體系，其在體系建設(shè)與應(yīng)用方面的做法和經(jīng)驗，可以為我國相關(guān)工作的開展提供啟發(fā)與借鑒。
加州的溫室氣體監(jiān)測方法
加州建立了溫室氣體排放的“分層觀測系統(tǒng)”，在不同尺度上對溫室氣體進行測量，以確定排放源。該系統(tǒng)涉及到多種溫室氣體監(jiān)測方法，每種都具有其優(yōu)勢和局限性，適用于不同的監(jiān)測目的。
01 固定站點監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)
加州的溫室氣體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)于2010年開始運行，包括7個由CARB運維的固定監(jiān)測站點，以及一些與其它研究伙伴合作的監(jiān)測站點。CARB為這些站點配備了先進的分析設(shè)備，包括Picarro、LGR溫室氣體分析儀等，對二氧化碳、甲烷、水汽、一氧化二氮、一氧化碳等溫室氣體進行測量。位于威爾遜山(Mt. Wilson)的山頂觀測站可以提供對黑碳，含氟氣體、以及揮發(fā)性有機物(VOC)的測量。此外，CARB 還部署了能夠測量二氧化碳和甲烷同位素特征的分析儀，以進一步細(xì)化排放清單。這類固定監(jiān)測站點及網(wǎng)絡(luò)可提供針對固定地理位置的連續(xù)測量值，但一般不能針對具體行業(yè)或排放源進行測量。
02 機載遙感
機載遙感可用于測量局部的溫室氣體排放，以及識別單個溫室氣體羽流(plume)。機載遙感在加州已經(jīng)被用于對設(shè)施級別的甲烷排放進行監(jiān)測，使用配備甲烷監(jiān)測儀的小型飛機在不同海拔高度以及不同風(fēng)向圍繞排放設(shè)施進行飛行測量，對該設(shè)施每小時的甲烷排放量進行量化。此外，機載遙感也被用于對相關(guān)行業(yè)的溫室氣體泄露檢查。但機載遙感通常只能提供瞬時測量，無法提供時間上的連續(xù)數(shù)據(jù)。目前，該技術(shù)在加州的農(nóng)業(yè)、能源、廢物管理等部門廣泛應(yīng)用。
03 通量塔
對于范圍較大的分散性面源，可使用通量塔對場地局部的溫室氣體排放進行測量。通量塔通過測量氣體的垂直濃度梯度來測量排放通量，可以針對較大的面源區(qū)域進行連續(xù)測量，并提供通量短期變化的詳細(xì)信息。這一監(jiān)測方式在加州常被用于監(jiān)測乳制品廠、垃圾填埋場、稻田等重要溫室氣體排放區(qū)域。
04 衛(wèi)星遙感
衛(wèi)星遙感技術(shù)可以提供在空間、時間上連續(xù)、高頻的采樣，這對監(jiān)測空間上分散以及時間上存在間歇性的排放源具有十分重要的意義。但是，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在空間上的分辨率較為粗糙，需要結(jié)合相關(guān)設(shè)施位置、排放清單、地面溫室氣體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)等對具體排放情況進行識別。
溫室氣體監(jiān)測在加州的應(yīng)用
溫室氣體監(jiān)測在加州主要服務(wù)于兩類目標(biāo)，一是服務(wù)于排放清單的編制工作，幫助相關(guān)部門全面了解溫室氣體排放情況；二是服務(wù)于氣候變化減緩措施，通過識別和修復(fù)溫室氣體泄漏點實現(xiàn)溫室氣體減排。
01優(yōu)化排放清單
加州在洛杉磯威爾遜山頂設(shè)立了一個溫室氣體超級監(jiān)測站(Mt. Wilson Observatory Station)。洛杉磯位于加利福尼亞州西南部的盆地，西南側(cè)緊鄰太平洋，其余三側(cè)被較低山脈包圍。威爾遜山位于洛杉磯北側(cè)，山頂海拔約1.7千米。該地區(qū)的盛行風(fēng)向由海岸向東北方向吹向威爾遜山底部。
在氣溫上升的白天，對流層邊界層上升使來自于洛杉磯的溫室氣體得到充分混合并達(dá)到山頂觀測站；在氣溫下降的夜晚，混合的空氣被限制在降低的邊界層中?；谶@一邊界層高度的晝夜變化，白天和夜晚在威爾遜山頂觀測站采集到的樣本可以分別代表洛杉磯本地的溫室氣體排放水平以及全球的背景排放水平，從而可以對洛杉磯區(qū)域的溫室氣體排放進行估算。結(jié)果被用于與自下而上的模型方法建立的溫室氣體排放清單進行對比，并對排放模型進行修正和更新，優(yōu)化了加州早期編制的溫室氣體排放清單。
02 識別并修復(fù)溫室氣體泄漏點
2010年后，甲烷羽流測繪技術(shù)取得重要進步。該技術(shù)可以對單個甲烷羽流進行實時測量，適合用于尋找大型、局部的甲烷排放源。CARB對這項技術(shù)進行了深入探索，在2016-2018年結(jié)合該技術(shù)進行了第一輪大規(guī)模飛行監(jiān)測研究，對加州的大型甲烷排放源進行了調(diào)研，總計調(diào)查272,000家設(shè)施，在所有甲烷排放的重點行業(yè)均發(fā)現(xiàn)了甲烷羽流。
在2020年和2021年，CARB進行了第二、三輪飛行研究，旨在測試這些監(jiān)測數(shù)據(jù)是否能夠支持甲烷的減排行動。2020年，CARB在業(yè)界招募自愿參與的設(shè)施，通過機載遙感發(fā)現(xiàn)甲烷羽流時，將羽流圖像傳送至設(shè)施管理人員，并要求操作員實地調(diào)查尋找造成羽流的原因。2021年，CARB向業(yè)界所有相關(guān)設(shè)施通報了飛行計劃，在事后分享了拍攝的羽流圖像并要求設(shè)施進行整改。在這兩輪飛行研究中，約80%的設(shè)施找到了甲烷泄漏點。
利用小型飛機進行的飛行監(jiān)測僅適用于對甲烷緩解策略的研究和試點試驗。長期持續(xù)的監(jiān)測還需要依賴衛(wèi)星遙感技術(shù)。為此，加州已安排一億美元購買相關(guān)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并計劃在2023年底至2024年初發(fā)射兩枚衛(wèi)星。
此前，加州在針對石油、天然氣以及垃圾填埋場的甲烷控制法規(guī)中，明確提出每季度進行泄漏檢測和修復(fù)的要求。利用遙感數(shù)據(jù)指導(dǎo)甲烷泄漏點識別并修復(fù)的行動可以補充相關(guān)行業(yè)進行季度泄露檢查的工作。2023 年 6 月，CARB 工作人員提出了對加州石油和天然氣甲烷法規(guī)的擬修改意見，其中包括要求設(shè)施在獲得 CARB通過遙感監(jiān)測發(fā)現(xiàn)的甲烷羽流相關(guān)信息后，對泄漏進行檢查和修復(fù)。同時，加州也在考慮對其他行業(yè)采取類似的監(jiān)管行動。
撰稿|衷楠，根據(jù)第十一屆長三角空氣質(zhì)量管理技術(shù)研討會Jorn D. Herner報告內(nèi)容整理
原標(biāo)題：加州溫室氣體監(jiān)測方法與應(yīng)用 | 國際經(jīng)驗
