「十四五」時期是生態環境質量改善由量變到質變的關鍵時期，面對實現綠色低碳發展和碳達峰、碳中和目標的需求，在我國開展溫室氣體排放監測工作尤為重要。
生態環境部發佈的《「十四五」生態環境監測規劃》中明確提出，要補齊碳監測技術短板，構建溫室氣體監測技術體系和質量控制體系，同時推進碳監測評估試點和開展消耗臭氧層物質等其他履約監測。這明確了我國溫室氣體排放監測工作未來的發展重點。
美國加州地區在溫室氣體排放監測中取得的經驗，可以為我國相關工作的開展提供借鑒。
以區域為尺度，多站點、多手段獲取排放數據
加州空氣資源委員會（CARB）是美國加州地區負責空氣質量管理和應對氣候變化的政府機構，於2010年啟動了溫室氣體監測網絡，以研究和評估加州區域內的溫室氣體排放趨勢，並幫助建立更精準的區域溫室氣體排放清單。除了監測溫室氣體外，監測網絡還針對人為燃燒排放源指示物一氧化碳進行監測，並將風速、風向和溫度等氣象參數納入監測指標。
圖源：canva
溫室氣體監測網絡對已知溫室氣體排放源位置、區域風軌分析、現存溫室氣體排放監測位置等信息進行分析，設置監測點，並根據監測功能不同，對監測點進行功能分區。
其獨立運行的監測點主要分佈在中央山谷和南部海岸地區：Tuscan Buttes 監測點（TSB）和Sutter Buttes 監測點（STB）位於中央山谷北部，Madera 監測點（MAD）、Tranquility 監測點（TRA）和Arvin監測點（ARV）位於中央山谷南部，用於甲烷排放監測。
其中，MAD、TRA、ARV監測點用於測量中央山谷內混合排放源釋放的甲烷。Mt. Wilson 監測點（MWO）位於聖蓋博山區域，用於觀測和評估從東南和西南偏西方向擴散而來的城市氣體污染物。San Bernardino監測點（SBC）位於高塔之上，可以覆蓋更大區域範圍、採集不同高度的空氣樣本，用於分析監測氣體的垂直分佈情況。
CARB溫室氣體監測網絡分佈
CARB溫室氣體監測站點基本情況
除了地面監測和高塔監測裝置，溫室氣體監測網絡還使用衛星、小型飛機等高空監測手段，以更加全面地了解溫室氣體的排放來源。比如在甲烷排放的監測中，溫室氣體監測網絡使用小型飛機遙測的方式在不同的高度提取甲烷點源，並將數據共享給其他科研機構，更好地了解測算與排放清單之間的數據差距。
服務於排放清單構建，助力實現區域減排目標
在獲取監測數據後，CARB採用大氣反演方法將在現場或遙感測量的溫室氣體濃度以及模擬的氣象條件相結合，以獲得獨立的溫室氣體排放清單，自下而上評估溫室氣體排放情況。具體操作如下：
第一步，使用拉格朗日粒子彌散模型 (LPDM) 模擬得到粒子軌跡，再使用大氣輸送模型和粒子軌跡計算場地的大氣排放足跡。排放足跡表徵測量站點的濃度對每個網格單元的單位排放通量變化的敏感性，可以用來表示當地表排放變化一個單位時測量站點濃度變化量的信息。
第二步，將歷史溫室氣體排放清單估算的排放量與排放足跡相乘，得出上風向排放源排放的溫室氣體濃度的增長情況，和上風向背景濃度相加後，得到模擬溫室氣體排放濃度。
第三步，將模擬溫室氣體排放濃度數據與監測數據進行比較, 然後採用統計技術（比如貝葉斯模型）優化溫室氣體通量，使模擬的大氣溫室氣體濃度與觀測值更好地吻合，最後得到排放源排放數據。
反向建模系統框架圖
排放溯源技術分析手段可以幫助更加精準和全面地了解區域排放情況。CARB對2014年至2016年間在MWO監測點收集到的空氣樣本中21種化合物（包括一氧化碳、二氧化碳、甲烷、烷烴、烯烴、苯、乙苯和二甲苯）的濃度進行了源解析，分析確定了甲烷的主要排放源包括垃圾填埋場、石油氣、工業過程、化石燃料燃燒、石油精鍊、天然氣和生物源。
圖源：pexels
示蹤劑-示蹤分析是CARB使用的另一種技術分析手段，使用這種分析手法的前提是監測區域的大氣氣團混合良好。CARB發現MWO監測點採集到的甲烷和一氧化碳比例一致，由此推斷甲烷和一氧化碳在到達監測站點之前已充分混合，並且兩種物質的排放源貢獻相對恆定。
因此，CARB使用示蹤劑-示蹤分析法，計算洛杉磯盆地的溫室氣體排放。由於甲烷和一氧化碳在洛杉磯市區內擴散的時間尺度上是不發生化學反應的，且它們的排放源分佈相似並受到相似尺度的大氣輸送和稀釋的影響，所以CARB用線性回歸模型來推導環境中甲烷和一氧化碳濃度之間的統計關係，再結合已知的一氧化碳排放量計算洛杉磯盆地的甲烷排放量。
CARB將監測網絡獲取的甲烷數據分享給監管方或者執法部門，將數據的使用範圍擴展至其他區域，支持更大範圍的減排工作，並提出政策建議，幫助監管部門達成排放管理目標。
此外，CARB還與政府部門、油氣生產企業合作，在基礎設施項目點開展甲烷排放的遙測，快速鎖定泄露排放情況，幫助相關方及時採取措施。
本文根據美國加州空氣資源委員會研究規劃、行政和減排部門主任Jorn Dinh Herner在2022杭州灣大氣污染與溫室氣體協同控制研討會中的發言及機構提供的相關素材整理而成。原文發表於中國環境APP, 點擊下方即可閱讀原文。
編輯：亞洲清潔空氣中心 李宏超
