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美國加州長期面臨氣候變化的嚴峻挑戰，近年來多次經歷林火、干旱、洪水等一系列自然災害，使得應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，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管和市場機制計劃，以實現可量化的、成本有效的溫室氣體減排。此后，加州政府陸續通過多項法案及行政命令，對溫室氣體減排目標的時間進程及行業減排要求做出明確規定。
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測體系，其在體系建設與應用方面的做法和經驗，可以為我國相關工作的開展提供啟發與借鑒。
加州的溫室氣體監測方法
加州建立了溫室氣體排放的“分層觀測系統”，在不同尺度上對溫室氣體進行測量，以確定排放源。該系統涉及到多種溫室氣體監測方法，每種都具有其優勢和局限性，適用于不同的監測目的。
01 固定站點監測網絡
加州的溫室氣體監測網絡于2010年開始運行，包括7個由CARB運維的固定監測站點，以及一些與其它研究伙伴合作的監測站點。CARB為這些站點配備了先進的分析設備，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，以進一步細化排放清單。這類固定監測站點及網絡可提供針對固定地理位置的連續測量值，但一般不能針對具體行業或排放源進行測量。
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被用于對設施級別的甲烷排放進行監測，使用配備甲烷監測儀的小型飛機在不同海拔高度以及不同風向圍繞排放設施進行飛行測量，對該設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行業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數據。目前，該技術在加州的農業、能源、廢物管理等部門廣泛應用。
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域進行連續測量，并提供通量短期變化的詳細信息。這一監測方式在加州常被用于監測乳制品廠、垃圾填埋場、稻田等重要溫室氣體排放區域。
04 衛星遙感
衛星遙感技術可以提供在空間、時間上連續、高頻的采樣，這對監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，衛星遙感數據在空間上的分辨率較為粗糙，需要結合相關設施位置、排放清單、地面溫室氣體監測網絡等對具體排放情況進行識別。
溫室氣體監測在加州的應用
溫室氣體監測在加州主要服務于兩類目標，一是服務于排放清單的編制工作，幫助相關部門全面了解溫室氣體排放情況；二是服務于氣候變化減緩措施，通過識別和修復溫室氣體泄漏點實現溫室氣體減排。
01優化排放清單
加州在洛杉磯威爾遜山頂設立了一個溫室氣體超級監測站(Mt. Wilson Observatory Station)。洛杉磯位于加利福尼亞州西南部的盆地，西南側緊鄰太平洋，其余三側被較低山脈包圍。威爾遜山位于洛杉磯北側，山頂海拔約1.7千米。該地區的盛行風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。基于這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域的溫室氣體排放進行估算。結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，優化了加州早期編制的溫室氣體排放清單。
02 識別并修復溫室氣體泄漏點
2010年后，甲烷羽流測繪技術取得重要進步。該技術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對這項技術進行了深入探索，在2016-2018年結合該技術進行了第一輪大規模飛行監測研究，對加州的大型甲烷排放源進行了調研，總計調查272,000家設施，在所有甲烷排放的重點行業均發現了甲烷羽流。
在2020年和2021年，CARB進行了第二、三輪飛行研究，旨在測試這些監測數據是否能夠支持甲烷的減排行動。2020年，CARB在業界招募自愿參與的設施，通過機載遙感發現甲烷羽流時，將羽流圖像傳送至設施管理人員，并要求操作員實地調查尋找造成羽流的原因。2021年，CARB向業界所有相關設施通報了飛行計劃，在事后分享了拍攝的羽流圖像并要求設施進行整改。在這兩輪飛行研究中，約80%的設施找到了甲烷泄漏點。
利用小型飛機進行的飛行監測僅適用于對甲烷緩解策略的研究和試點試驗。長期持續的監測還需要依賴衛星遙感技術。為此，加州已安排一億美元購買相關衛星數據，并計劃在2023年底至2024年初發射兩枚衛星。
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中，明確提出每季度進行泄漏檢測和修復的要求。利用遙感數據指導甲烷泄漏點識別并修復的行動可以補充相關行業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的擬修改意見，其中包括要求設施在獲得 CARB通過遙感監測發現的甲烷羽流相關信息后，對泄漏進行檢查和修復。同時，加州也在考慮對其他行業采取類似的監管行動。
撰稿|衷楠，根據第十一屆長三角空氣質量管理技術研討會Jorn D. Herner報告內容整理
原標題：加州溫室氣體監測方法與應用 | 國際經驗
