溫室氣體觀測(cè)中的數(shù)據(jù)合規(guī)驗(yàn)證

由于越來(lái)越清晰地認(rèn)識(shí)到溫室氣體對(duì)全球氣候的影響作用，多個(gè)高精度的溫室氣體觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)隨之建立，用以監(jiān)測(cè)并量化世界不同地區(qū)不斷變化的生物圈溫室氣體通量和人為排放的相對(duì)作用。最初目標(biāo)是建立大氣背景站測(cè)量溫室氣體，以獲得大尺度的代表性數(shù)據(jù)。后來(lái)，越來(lái)越多的區(qū)域站和觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的建立，可以獲取更多關(guān)于特定區(qū)域的排放信息。事實(shí)上，高精度溫室氣體觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)在監(jiān)測(cè)和驗(yàn)證國(guó)際氣候協(xié)議的背景下尤其重要。

綜合碳觀測(cè)系統(tǒng) (ICOS) 是一個(gè)以歐洲為中心的基礎(chǔ)研究網(wǎng)絡(luò)（https://www.icos-ri.eu），可提供標(biāo)準(zhǔn)化、高精度、長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的監(jiān)測(cè)海洋與大氣溫室氣體濃度、生態(tài)系統(tǒng)通量和其他重要碳循環(huán)參數(shù)的分布式基礎(chǔ)設(shè)施。其實(shí)施準(zhǔn)備階段（2008-2013）起，到2015 年底 ICOS 正式開始法人實(shí)體運(yùn)行，截止2021年底，共在歐洲14個(gè)國(guó)家建立超過(guò)60個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)（包括30個(gè)大氣觀測(cè)站）。

ICOS 觀測(cè)站分布圖

ICOS從起步階段就使用了WMO的網(wǎng)絡(luò)兼容性目標(biāo)為中心的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，定義了以最精確和最客觀的方式，驗(yàn)證測(cè)試儀器及其測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)操作程序，實(shí)現(xiàn)操作和測(cè)量協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化。

ICOS大氣中心ATC （Atmospheric Thematic Center）的主要任務(wù)就是確保臺(tái)站達(dá)到基于 WMO兼容性目標(biāo)的質(zhì)量目標(biāo)（這些目標(biāo)已在ICOS 大氣觀測(cè)規(guī)范中詳細(xì)說(shuō)明）。為此，使用了所謂的“數(shù)據(jù)合規(guī)驗(yàn)證”（Labeling process），即除了首先評(píng)估新臺(tái)站位置與基礎(chǔ)設(shè)施，以及符合 ICOS 要求的可用人力和后勤資源的充足性，更對(duì)最初運(yùn)行數(shù)月的觀測(cè)方法與數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，確保正確設(shè)置和良好的測(cè)量實(shí)踐，并能夠達(dá)到 ICOS 的精度和穩(wěn)定性要求，最終符合 ICOS 數(shù)據(jù)質(zhì)量目標(biāo)。

  a.校準(zhǔn)

目前，ICOS的數(shù)據(jù)合規(guī)驗(yàn)證（Labeling process）階段的校準(zhǔn)策略如下：3~4種標(biāo)氣（已在 CAL-FCL 中指定并可追溯到 WMO 標(biāo)度），每隔15天做一個(gè)校準(zhǔn)序列（4次循環(huán)測(cè)量），每瓶標(biāo)氣每次測(cè)試30分鐘，總共6 到 8 小時(shí)的校準(zhǔn)測(cè)量。根據(jù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，ATC 會(huì)建議是否可以降低或增加頻率，但無(wú)論如何，每月至少需要一個(gè)校準(zhǔn)序列。下表為ATC MLab 校準(zhǔn)質(zhì)量控制的典型閾值（標(biāo)準(zhǔn)偏差，SD）：

下圖為1 個(gè)月內(nèi) CO₂ 的標(biāo)準(zhǔn)氣體測(cè)量（ppm 或 μmol mol-1）與標(biāo)準(zhǔn)值的差異。短期與長(zhǎng)期標(biāo)氣（氣瓶編號(hào)如圖所示）測(cè)量數(shù)據(jù)分別以綠色與棕色表示，淺橙色空心圓圈為兩次校準(zhǔn)時(shí)間軸顯示。

下圖為法國(guó) Trainou 高塔觀測(cè)系統(tǒng)示意圖，紅色部分為Picarro G2401 分析儀，藍(lán)色部分為系統(tǒng)冗余準(zhǔn)備需要對(duì)所使用的 CO₂、CH₄ 和 CO 分析儀定期校準(zhǔn)（每月兩次），然而適當(dāng)減少校準(zhǔn)進(jìn)樣次數(shù)也是可以的，從而節(jié)省標(biāo)氣并延長(zhǎng)校準(zhǔn)氣體的使用壽命。

  b.水汽影響

水汽對(duì)測(cè)量氣體的影響是導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不確定性的一個(gè)重要來(lái)源。ICOS MLab 的測(cè)試表明，它對(duì)于迄今為止測(cè)試的所有儀器和測(cè)量技術(shù)均產(chǎn)生影響，并隨著時(shí)間的推移以不同的方式令各種氣體光譜發(fā)生變化。確定水汽影響可以通過(guò)加濕干燥氣體獲得不同條件下測(cè)量差異的曲線，用于測(cè)量數(shù)據(jù)的水汽校準(zhǔn)。這類方法比較復(fù)雜且受其他環(huán)境因素限制，現(xiàn)場(chǎng)水汽校正測(cè)試也無(wú)法提供定量結(jié)果，因此強(qiáng)烈推薦使用干燥系統(tǒng)。

  c.管路檢測(cè)

ICOS ATC建議定期（每年）對(duì)10 年以下的外部采樣管線進(jìn)行泄漏測(cè)試，理想情況下，應(yīng)通過(guò)外部結(jié)構(gòu)（高塔）上的每條采樣管線注入測(cè)試氣體，以測(cè)試管路及其內(nèi)表面可能的裂縫。在測(cè)試期間，重要的是調(diào)整測(cè)試氣瓶輸出壓力，以便重現(xiàn)與環(huán)境空氣采樣時(shí)相同的壓力條件。如果沒有觀察到明顯的偏差，我們可以認(rèn)為管路沒有泄漏。

根據(jù)ICOS的數(shù)據(jù)合規(guī)驗(yàn)證（Labeling process）要求，有23個(gè)臺(tái)站于2016 年至 2019 年之間完成了數(shù)據(jù)質(zhì)量目標(biāo)驗(yàn)證，并得到 ICOS 大會(huì)的批準(zhǔn)。7個(gè)站位于德國(guó)，法國(guó)本土3個(gè)，瑞典3個(gè)，芬蘭3個(gè)，意大利2個(gè)（其中1個(gè)由歐盟委員會(huì)聯(lián)合研究中心運(yùn)營(yíng)），荷蘭、挪威、瑞士、捷克及留尼汪島各1個(gè)，這些大都是配備了高塔可完成多點(diǎn)大氣采樣的大陸或高山站點(diǎn)。

上圖為2020 年前通過(guò)ICOS的數(shù)據(jù)合規(guī)驗(yàn)證的 23 個(gè)臺(tái)站的地圖。顏色顯示站點(diǎn)被標(biāo)記的時(shí)間：首先是紫色（2017 年 11 月），然后是藍(lán)色（2018 年 5 月）、綠色（2018 年 11 月）、粉紅色（2019 年 5 月）和紅色（2019年11 月）

上圖為在 Torfhaus 站 (德國(guó)，縮寫TOH)，編號(hào)為 457 的Picarro G2401溫室氣體分析儀一年中每小時(shí)平均值。左側(cè)圖為環(huán)境大氣，右側(cè)為標(biāo)準(zhǔn)氣體測(cè)量值。校準(zhǔn)顯示為橙色圓圈。無(wú)效數(shù)據(jù)用黑色顯示在每個(gè)圖的底部。

下圖為2020年之前23個(gè)通過(guò)ICOS的數(shù)據(jù)合規(guī)驗(yàn)證（Labeling process）觀測(cè)臺(tái)站中，CO₂/CH₄/CO不確定性和偏差，x 軸為的ICOS 站點(diǎn)名稱與分析儀編號(hào)，每個(gè)圖中上下兩條黑線顯示了 WMO 兼容性目標(biāo)。

下表為2020年之前23個(gè)通過(guò)ICOS的數(shù)據(jù)合規(guī)驗(yàn)證（Labeling process）觀測(cè)臺(tái)站中，CO₂/CH₄/CO溫室氣體分析儀（Picarro G2301或G2401）每年平均漂移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以看到Picarro的溫室氣體分析儀在一年的觀測(cè)工作中無(wú)事實(shí)漂移。

NA：未提供數(shù)據(jù)或使用G2301分析儀

NS：漂移不顯著

在Camille Yver-Kwok 的文章中，介紹了ICOS 大氣站可確保生成的數(shù)據(jù)具有高質(zhì)量的數(shù)據(jù)合規(guī)驗(yàn)證過(guò)程。對(duì)于 23 個(gè)合規(guī)站點(diǎn)數(shù)據(jù)中，我們可以得出以下結(jié)論：