中国环境检测总站：城市大气温室气体监测点位布设技术指南（第一版）.docx-solarbe文库

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城市大气温室气体监测点位布设技术指南（第一版）目录前言 1 适用范围 2 术语和定义 3 监测点位布设原则 4 监测点位布设流程及要求 5 点位布设数量要求 6 监测项目附录 A（参考性附录）监测点周围环境和采样口位置要求附录 B（参考性附录）国外经验介绍前言为落实减污降碳总要求，加强监测对温室气体减排的支撑作用，规范城市大气温室气体监测工作，制定本技术指南。本指南附录 A、 B 为参考性附录。本指南为首次发布，将根据城市温室气体监测工作进展适时修订。本指南提出了城市大气温室气体监测点位布设技术要求，包括布设原则、布设流程及要求、点位布设数量要求、监测项目要求，以及点位选址技术方法。本指南主要起草单位中国环境监测总站、中国计量科学研究院、中国科学院大气物理研究所。城市大气温室气体监测点位布设技术指南（第一版） 1 适用范围本指南适用于城市大气温室气体监测点位的选址、评估、现场勘查等工作。本指南提供了通过模式模拟进行城市大气温室气体监测点位布设的方法及其参考性资料。有条件的城市可选用卫星、空基、地基遥感监测和地面走航监测等方法获得城市大气温室气体浓度时空分布特征，并结合数值模拟开展点位布设。通过现场监测开展温室气体点位选址的方法尚缺少系统的研究性参考资料，因此在本指南中没有提出具体要求，后续将根据试点城市工作进展适时加入。本指南主要关注高精度、塔基地面监测的点位布设相关技术。中精度传感器地面监测的点位布设可参考本指南相关要求。 2 术语和定义下列术语及其定义适用于本指南。 2.1 城市大气温室气体监测监测城市大气温室气体浓度，反映城市人为温室气体排放状况。监测点位分为城市点、背景点和边界点。 2.2 城市点以监测城市内大气温室气体浓度水平和变化趋势为目的，反映城市本地人为温室气体排放状况，在城市内设置的监测点位。 2.3 背景点以监测城市本底大气温室气体浓度水平和变化趋势为目的，反映城市本底温室气体源汇影响的状况，在远离温室气体排放源的地区设置的监测点位。 2.4 边界点以监测城市边界区域大气温室气体浓度水平和变化趋势为目的，反映外来传输影响，在城市边缘远离温室气体排放源的地区设置的监测点。 3 监测点位布设原则 3.1 代表性点位能够客观反映一定空间范围内大气温室气体水平和时空变化规律，满足评估城市温室气体排放量的需要。 3.2 可比性同类型监测点设置条件尽可能一致，包括布设原则、监测方法、质量控制与质量保证等，使各个点位间数据具有可比性。 3.3 整体性考虑城市地形地貌、气象等综合环境因素，以及能源结构、产业布局等社会经济特点，反映城市主要温室气体排放状况。 3.4 前瞻性应结合城乡建设规划考虑点位布设，能兼顾未来城乡空间格局变化趋势。 3.5 适应性根据监测效果评估情况，适时调整点位位置。 4 监测点位布设流程及要求 4.1 城市点 4.1.1 综合考虑城市环境条件、经济社会特点以及温室气体排放特征，新建或者依托城市现有符合要求的设施，在城市内合理布设点位。 4.1.2 布设流程。 4.1.2.1 资料收集与处理。（ 1）气象资料。收集本地气象监测资料，如风速、风向、温度、湿度、气压、边界层高度等，明确城市主导风向等重要气象条件。如需开展模式分析，应收集模式输入所需气象场资料，如气压、位势高度、温度、湿度、纬向风、经向风等。（ 2）地理信息和土地利用信息资料。分析地形地貌和土地利用类型分布情况。如需开展模式分析，应收集模式输入所需地形数据，包括外层较大范围粗网格地形数据和本地高分辨地形数据（如地形高度、植被、土地利用类型、土壤类型、叶面积指数等）。（ 3）温室气体排放源数据资料。收集城市、区域等多尺度温室气体排放清单，标记重要排放源的位置、排放强度和排放口高度等关键信息。（ 4）备选点位信息资料。收集城市内及周边区域通讯塔、气象塔、水塔等塔基点位的经纬度、高度等基础信息。（ 5）城市大气温室气体监测数据。收集已有的地面监测数据和遥感监测数据，分析城市大气温室气体浓度时空分布特征。（ 6）注意事项。资料收集应尽可能使用最新的数据、最大程度反映本地特征的数据。 4.1.2.2 点位初步筛选（ 1）结合收集的资料，通过经验判断、统计分析、实地监测等多种手段，初步筛选出满足监测要求的点位。（ 2）经验判断至少需综合考虑城市主导风向、地形地貌、土地利用类型、温室气体排放源空间分布特征、塔基平台等重要信息。（ 3）统计分析可采用 K-Means、 DBSCAN、层次聚类法等聚类统计方法。适合点位数量较多时进行优选。（ 4）实地监测可采用无人机走航监测、走航车监测、卫星遥感监测等方法。卫星遥感监测建议获得逐月及全年的监测结果，走航监测建议获取典型季节的城市温室气体浓度梯度与重要排放源周边监测数据。（ 5）如需进一步开展精确选点，应筛选出足够数量的点位作为备选点位，供后续精确选点使用。建议初步筛选的点位数量至少达到拟建点位数量的 510 倍。 4.1.2.3 点位精确筛选（ 1）采用模式模拟计算方法，从备选点位中筛选出对城市主要温室气体排放源最敏感的点位，优化点位布设。（ 2）模式模拟计算方法至少包括敏感性分析，有条件的可以开展观测系统模拟实验（ Observing System Simulation Experiments, OSSEs），以系统性评估设计的监测网络性能。（ 3）敏感性分析是通过模式模拟计算监测结果对温室气体源汇变化的敏感程度，进而评估优选监测点位。敏感性分析可综合采用气象模式与粒子扩散模式，备选点位较多情况下可采用聚类分析方法优选点位。使用的模式包括 i.气象模式。获得高时空分辨的城市气象场信息，可选用 WRF（ Weather Research Forecast）、 MM5（ Fifth- Generation Penn State/NCAR Mesoscale Model ）、 RAMS （ Regional Atmospheric Modeling System ）、 ARPS （ The Advanced Regional Prediction System）、 AREM（ the Advanced Regional Eta-coordinate Mode）等模式。有条件的可通过与观测数据的比较分析，进行气象场模拟误差分析。 ii.粒子扩散模式。获得备选点位的足迹权重（影响函数），可选用 STILT（ Stochastic Time-Inverted Lagrangian Transport 6model、 FLEXPART（ FLEXible PARTicle dispersion model）、 HYSPLIT（ the Hybrid Single- Particle Lagrangian Integrated Trajectory model）等模式。 iii.聚类分析方法。用于优选监测点位，可使用 K- Means、 DBSCAN、层次聚类法等方法。（ 4）观测系统模拟实验是通过正演模式和反演算法，评估布点方案对同化反演城市温室气体排放量的影响，进而优化方案。其目标是，通过优化点位布设，大幅降低同化反演城市温室气体排放量的不确定性。参考不确定性降低幅度为 30- 60，年度城市排放总量目标不确定性参考值 5-15。（ 5）注意事项。为获得准确的城市尺度气象场信息，气象模式应采用多层嵌套网格。加入本地气象观测数据可以提高气象场模拟的准确度。模式模拟至少选择夏季和冬季 2 个典型季节开展，每个季节模拟时间不少于 1 个月。 4.1.2.4 实地勘察。实地勘查每一个筛选出的点位，确保周围环境和采样口设置符合要求。条件允许可开展现场监测或模拟实验，评估所选点位的有效性。监测点周围环境和采样口设置的具体要求见附录 A。 4.2 背景点 4.2.1 综合考虑城市环境条件、经济社会特点以及温室气体排放特征，新建或者依托城市现有符合要求的设施，在远离温室气体排放源的地区合理布设点位。 4.2.2 背景点布设流程与城市点类似，但应注意如下事项。（ 1）背景点布设应在城市点布设基础上进行。（ 2）实地勘察时应注意点位附近植被等对监测的影响。（ 3）背景点应在远离城市内及区域主要温室气体排放源的地区布设。 4.3 边界点 4.3.1 综合考虑城市环境条件、经济社会特点以及温室气体排放特征，新建或者依托城市现有符合要求的设施，在城市边缘远离温室气体排放源的地区合理布设点位。 4.3.2 边界点布设流程与城市点类似，但应注意如下事项。（ 1）边界点布设应在城市点布设基础上进行。（ 2）使用模式模拟计算方法开展点位精确筛选时，应最大限度地提高所选点位对区域外温室气体排放贡献的代表性，并使所选点位能较好反映区域外温室气体排放对城市点监测的影响。（ 3）实地勘察时应注意点位附近植被等对监测的影响。 5 点位布设数量要求 5.1 基本原则结合城市大气温室气体监测目标、经费情况、技术力量等因素合理确定点位布设数量。 5.2 经验性建议 5.2.1 最小监测网络至少需要 2 个点位。在主导风的上、下风向各设置 1 个边界点。适用于前期试验性监测。 5.2.2 中型监测网络需要 46 个点位。在主导风的上、下风向各设置 1 个边界点，在城市内设置 24 个点位。适用于中小型城市，或主导风向明确、地势平坦、以服务业为主的大城市。 5.2.3 大型监测网络需要超过 8 个点位。点位类型涵盖城市点、背景点和边界点，一般需要开展系统性的监测网络设计。适用于大型城市。 5.2.4 城市重要温室气体排放源区（大型电厂、工业园区等）可以补充布设适当数量的中精度传感器点位。 5.2.5 城市点、背景点和边界点根据城市具体情况合理布设，处于上风向的边界点可兼具背景点功能。 5.3 国外参考经验本指南简要总结了美国和法国城市大气温室气体监测经验，见附录 B。 6 监测项目监测项目分为必测项目和选测项目，可参照碳监测评估试点工作方案选择。附录 A （参考性附录）监测点周围环境和采样口位置要求一、监测点周围环境要求 1.监测点与城市主要温室气体排放源保持至少 1 公里，背景点与城市主要温室气体排放源保持至少 10 公里。应采取措施保证监测点附近 1 公里内的土地使用状况相对稳定。 2.采样口周围水平面尽可能保证 360 以上的捕集空间。 3.监测点周围环境状况相对稳定，所在地质条件需长期稳定和足够坚实，所在地点应避免受山洪、雪崩、山林火灾和泥石流等局地灾害影响，安全和防火措施有保障。 4.监测点附近无强大的电磁干扰，周围有稳定可靠的电力供应和避雷设备，通信线路容易安装和检修。二、采样口位置要求 1.采样口距塔基的相对高度应在 50100 米，以保证采集充分混合的样气，避免局地人为和自然的源汇影响。下垫面情况简单的，可适度将采样高度调整到 3050 米。 2.优先新建铁塔或在已有的开放式高塔上采样。已有塔基平台优先选择气象塔、通信塔等不影响城市大气环流的公共设施，或雷达站、水塔等不受人为影响的公共设施，或厘清出气口影响的高建屋顶。三、采样塔要求 1.结构要求。包括尺寸大小、稳定性、安全性，以及权衡烟囱效应。 2.高度要求。同 “二、（ 1） ”。 3.大小要求。采样塔应足够大以保证可以连续、安全、可靠的开展监测工作。采样塔的大小和形状应避免对监测产生影响。 4.其他要求。包括防雷、安全、辅助设置的配置，特殊环境下的定期防护要求等。附录 B（参考性附录）国外经验介绍一、概述城市大气温室气体监测是相对较新的研究领域，在欧美国家开展了一些探索研究，但仍未形成较成熟的技术体系。本附录以美国和法国开展的工作为典型案例进行简要介绍。二、美国情况美国国家标准与技术研究所（ NIST）组织相关单位在印第安纳波利斯市、洛杉矶市和东北走廊城市建立了三个城市大气温室气体监测试点，目的是开发和改进估计城市温室气体排放量的技术，并了解在不同时空尺度上排放量估算的不确定性。（一）印第安纳波利斯 1.城市特点。该城市为中等城市，面积约 8000 平方公里， CO2 排放量位列全美第 11 名，与其他大城市距离远受影响小，地势平坦、气象条件简单。 2.布设流程。 2010 年左右，在主导风向的上、下风向各布设了一个点位。 2011-2012 年，环绕城市外围布设 7 个点位，靠近城市中心布设 4 个点位。 2012 年，下风向更远处增加 1 个点位。图 1 印第安纳波利斯点位布设说明图（参考文献 Miles et al., 2010； Miles et al., 2017）（二）洛杉矶 1.城市特点。该城市为美国第二大城市，面积约 17100 平方公里，地形和气象条件复杂。 2.布设流程。使用模式模拟（ WRFSTILT）初步确定点位的位置和数量。开展现场评估通过检查地图和卫星图像评估地形和附近强温室气体排放源的潜在影响；查看是否有高塔，优先选择现有开放式通讯塔，高度在 50-100 米左右；必要时，在矮塔（约 10 米）上开展 12 周的短期高精度现场监测。确定布点方案， 12 个城市点， 4 个背景点。图 2 洛杉矶点位布设说明图（参考文献 Kort et al., 2013； K. R. Verhulst et al., 2017）（三）东北走廊城市群 1.城市特点。包括华盛顿和巴尔的摩地区，面积约 10000 平方公里。 2.布设流程。根据城市现有高塔信息，选择 50-150 米的高塔位置，作为备选点位。基于大气扩散模型，获得城市排放通量对所有备选点位的影响系数。结合聚类分析的迭代算法，剔除掉城市贡献度较小的点位，最终剩余的监测点即为最优的建站位置。其中， 11 个点为城市点， 4 个点为背景点。图 3 东北走廊城市点位布设说明图（参考文献 Karion et al., 2020； Lopez-Coto et al., 2017）三、法国情况法国巴黎逐步构建了由 5 个监测点位组成的大气温室气体监测网络，测量 CO2 和 CH4 等温室气体，结合监测结果、巴黎市现有温室气体清单和大气同化反演模式，估算巴黎城市地区 CO2 排放量。 1.城市特点。城市布局非常密集，排放强烈，地势平坦，大气传输模式建模更容易。 2. 布设流程。主要是沿着主导风向布点。图 4 巴黎点位布设说明图（参考文献 I. Xueref-Remy et al., 2018）