DB32T-大氣二氧化碳和甲烷本底濃度篩分技術規(guī)范報批稿

Q/LB.□XXXXX-XXXXDB32/TXXXX—XXXX目次TOC\o"1-1"\h前言 II引言 III1范圍 12規(guī)范性引用文件 13術語和定義 14資料收集和處理 25本底篩分方法 56篩分方法選擇 67篩分流程 7附錄A（資料性）本底篩分流程 8附錄B（資料性）觀測站點信息 9參考文獻 10前言本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構不承擔識別專利的責任。本文件由江蘇省氣象局提出。本文件由江蘇省氣象標準化技術委員會歸口。本文件起草單位：江蘇省氣候中心、江蘇省氣象探測中心。本文件主要起草人：陳燕、惠品宏、徐家平、徐萌、沈瑱、李崇志、韋芬芬、周晨、喬賀、徐進。引言實現(xiàn)碳達峰碳中和是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟社會系統(tǒng)性變革，掌握溫室氣體本底濃度及其變化情況，有助于客觀、準確地測算區(qū)域溫室氣體源匯總量及變化，是實現(xiàn)碳達峰碳中和的重要基礎。為規(guī)范我省區(qū)域大氣二氧化碳和甲烷本底濃度篩分，特制定本標準。大氣二氧化碳和甲烷本底濃度篩分技術規(guī)范范圍本文件規(guī)定了大氣二氧化碳、甲烷的本底濃度篩分所需的資料、篩分方法、篩分方案選擇、篩分流程的要求。本文件適用于氣象、生態(tài)、環(huán)境等行業(yè)在受人為或自然源影響的區(qū)域開展二氧化碳、甲烷的本底濃度篩分和數(shù)據(jù)處理,其他行業(yè)可參考本文件。規(guī)范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T3840制定地方大氣污染物排放標準的技術方法GB/T35221地面氣象觀測規(guī)范總則GB/T35227地面氣象觀測規(guī)范風向和風速QX/T118地面氣象觀測資料質量控制QX/T174大氣成分站選址要求術語和定義下列術語和定義適用于本文件。

溫室氣體greenhousegas大氣中能夠吸收紅外輻射的氣體成分，主要包括二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、水汽（H2O）、氫氟碳化物（HFCs）、全氟碳化物（PFCs）、六氟化硫（SF6）和臭氧（O3）等。[來源：QX/T125-2011，3.1，有修改]

二氧化碳carbondioxide分子式為CO2，在大氣中的滯留時間可達幾十年或上百年，是影響地球輻射平衡的主要溫室氣體。源主要是化石燃料和生物質的燃燒、土地利用變化以及工業(yè)過程排放，匯主要是陸地生態(tài)系統(tǒng)和海洋的吸收。[來源：QX/T125-2011，4.2，有修改]

甲烷methane分子式為CH4，在大氣中的滯留時間約為12年。源主要是農業(yè)（如牲畜和稻田）、垃圾處理過程、化石燃料生產和使用（煤炭、天然氣/石油開采）、生物燃料和生物質燃燒的排放、濕地和其他自然過程等，匯主要是羥基自由基氧化反應。[來源：QX/T125-2011，4.3，有修改]

濃度concentration特定氣體摩爾數(shù)與同體積干空氣內全部氣體分子摩爾數(shù)之比。

本底濃度backgroundconcentration遠離局地排放源、濾除了局地自然環(huán)境和人為活動直接影響、基本混合均勻的大氣組成成分濃度。

局地濃度localconcentration受局地排放源和吸收匯影響的非本底大氣組成成分濃度。

梯度理查森數(shù)gradientRichardsonnumber用兩個高度上的平均風速和平均溫度代替理查森數(shù)表達式中風速垂直切變項和溫度垂直梯度，來確定大氣穩(wěn)定度。

穩(wěn)健局部回歸robustlocalregression在一定時間窗口內對觀測值進行逐步逼近回歸擬合的統(tǒng)計學穩(wěn)健估計方法。資料收集和處理資料種類溫室氣體觀測站點信息：溫室氣體觀測站點的經(jīng)緯度、海拔高度、進氣口高度、下墊面類型、周圍環(huán)境（表B.1）。溫室氣體觀測數(shù)據(jù)：溫室氣體觀測站點建站以來的CO2、CH4濃度觀測數(shù)據(jù)，CO2濃度單位為10-6mol/mol，CH4濃度單位為10-9mol/mol，下同。氣象觀測站點信息：氣象觀測站點的經(jīng)緯度、海拔高度、風觀測高度、下墊面類型、周圍環(huán)境（表B.2）。氣象觀測數(shù)據(jù)：溫室氣體觀測站點同址、同期的風速、風向、氣溫、氣壓、云量資料。如果無同址觀測，需選擇距離近、觀測環(huán)境一致性好的氣象站點同期觀測數(shù)據(jù)。資料收集溫室氣體觀測站點信息：來源于國家測繪地理信息主管部門、地方測繪部門、溫室氣體觀測部門的地面和遙感觀測，觀測站點選址符合QX/T174的規(guī)定。溫室氣體濃度觀測數(shù)據(jù)：來自溫室氣體觀測部門，包括建站以來經(jīng)過質量控制后的逐小時的CO2、CH4濃度數(shù)據(jù)，符合時間長度可以是月、季、年、年際尺度。氣象觀測站點信息：來源于國家測繪地理信息主管部門、地方測繪部門、氣象部門。氣象觀測數(shù)據(jù)：來自氣象部門，包括經(jīng)過質量控制后的地面及大氣邊界層高度以內的逐小時風速、風向、氣溫、氣壓數(shù)據(jù)以及逐小時云量數(shù)據(jù)，符合GB/T35221、GB/T35227及QX/T118的規(guī)定。數(shù)據(jù)處理溫室氣體濃度觀測數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)完整率用于本底篩分的CO2和CH4濃度觀測數(shù)據(jù)的時間分辨率為逐小時，總數(shù)據(jù)及逐月數(shù)據(jù)完整率均需達到95%以上。計算數(shù)據(jù)完整率時不統(tǒng)計由于儀器故障、停機、系統(tǒng)維護等造成的缺測。逐月逐風向溫室氣體平均濃度基于觀測時段內CO2或CH4濃度觀測數(shù)據(jù)以及風向數(shù)據(jù)，逐月逐風向計算CO2或CH4平均濃度，十六風向所對應的方位、符號、中心角度、角度范圍以及靜風標準見表1，計算方法見式（1）： Cm,n=i=1Nm,nC式中：Cm,n——特定月份特定風向CO2或CH4平均濃度，m表示1~12月，n表示1~16Cm,ni——特定月份特定風向逐時CO2或Nm,n——特定月份特定風向參與統(tǒng)計的CO2或CH4觀測數(shù)風向符號與度數(shù)對照表序號方位符號中心角度/°角度范圍/°1北N0348.76-11.252北東北NNE22.511.26-33.753東北NE4533.76-56.254東東北ENE67.556.26-78.755東E9078.76-101.256東東南ESE112.5101.26-123.757東南SE135123.76-146.258南東南SSE157.5146.26-168.759南S180168.76-191.2510南西南SSW202.5191.26-213.7511西南SW225213.76-236.2512西西南WSW247.5236.26-258.7513西W270258.76-281.2514西西北WNW292.5281.26-303.7515西北NW315303.76-326.2516北西北NNW337.5326.26-348.75注：風速小于或等于0.2m/s按靜風處理，不計入十六風向。逐月溫室氣體十六風向平均濃度基于4.3.1.2計算的逐月逐風向CO2或CH4平均濃度，逐月計算十六風向平均濃度，計算方法見式（2）： Cm,1?16=n=116式中：Cm,1?16——特定月份CO2或CH4十六風向平均濃度逐月溫室氣體十六風向濃度標準差基于4.3.1.2計算的逐月逐風向CO2或CH4平均濃度，逐月計算十六風向濃度標準差，計算方法見式（3）： σm,1?16=n=116Cm,n式中：σm,1?16——特定月份CO2或CH4十六風向濃度標準差逐月溫室氣體平均濃度基于觀測時段內CO2或CH4濃度觀測數(shù)據(jù)，逐月計算CO2或CH4平均濃度，計算方法見式（4）： Cm=i=1NmC式中：Cm——特定月份參與統(tǒng)計的CO2或CH4平均濃度Cmi——特定月份參與統(tǒng)計的逐時CO2或CHNm——特定月份參與統(tǒng)計的CO2或CH4觀測數(shù)逐月溫室氣體濃度標準差基于觀測時段內CO2或CH4濃度觀測數(shù)據(jù)，逐月計算CO2或CH4濃度標準差，計算方法見式（5）： σm=i=1NmC式中：σm——特定月份參與統(tǒng)計的CO2或CH4濃度標準差大氣穩(wěn)定度梯度理查森數(shù)利用地面和大氣邊界層以內氣溫、氣壓、風速、風向計算各時刻梯度理查森數(shù)Ri，并根據(jù)表2對大氣穩(wěn)定度進行等級劃分，A、B、C、D、E和F分別表示強不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、弱不穩(wěn)定、中性、較穩(wěn)定和穩(wěn)定。梯度理查森數(shù)計算方法見式（6）和式（7）： Ri=g?Z1?Z θ=T?(P0P式中：g——重力加速度，取9.8m/s2；Z1——低層Z2——高層θ1——低層θ2——高層V1——低層V2——高層θa——低層、高層位溫θ——位溫（K）；T——氣溫（K）；P——氣壓（hPa）；P0——標準氣壓，取1000hPakd——常數(shù)，取0.286基于梯度理查森數(shù)的大氣穩(wěn)定度等級劃分穩(wěn)定度等級Ri范圍ARi<-3.433B-3.433≤Ri<-1.375C-1.375≤Ri<-0.233D-0.233≤Ri<0.145E0.145≤Ri<0.636F0.636≤Ri帕斯奎爾-特納爾穩(wěn)定度按照GB/T3840中的方法，利用逐時云量、風速數(shù)據(jù)，采用帕斯奎爾-特納爾穩(wěn)定度分類法來劃分大氣穩(wěn)定度等級，首先計算出每個時刻的太陽高度角，結合云量數(shù)據(jù)確定太陽輻射等級；隨后結合太陽輻射等級與地面風速確定大氣穩(wěn)定度等級，可分為強不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、弱不穩(wěn)定、中性、較穩(wěn)定和穩(wěn)定六級，分別由A、B、C、D、E和F表示。本底篩分方法穩(wěn)健局部回歸篩分法基于穩(wěn)健局部回歸算法對CO2或CH4有效觀測數(shù)據(jù)進行本底篩分，定義觀測的濃度值為式（8），假設Cobs是連續(xù)的，可采用局部線性回歸模型對Cobs進行估算，因此在任何給定時刻t0附近足夠小的鄰域內，可以認為Cobs(ti)為一條直線，在t0附近的數(shù)可以應用最小二乘法求得?？紤]到大氣CO2和CH4濃度的季節(jié)變化將帶寬設置為60天（1440小時） Cobsti=Cbgt式中：Cobsti——CO2或CH4Cbgti——CO2或CH4C?tiEi綜合篩分法穩(wěn)健局部回歸篩分采用5.1穩(wěn)健局部回歸篩分法對CO2或CH4有效觀測數(shù)據(jù)進行本底篩分。大氣穩(wěn)定度判定梯度理查森數(shù)判定經(jīng)過穩(wěn)健局部回歸篩分后，對剩余CO2或CH4濃度觀測值進行大氣穩(wěn)定度判定，利用CO2或CH4觀測同期氣象數(shù)據(jù)，根據(jù)4.3.2.1計算梯度理查森數(shù)，并進行大氣穩(wěn)定度分級，若穩(wěn)定度等級為D、E、F，表示高低層混合不充分，受局地排放源影響較大，則將相應時刻的CO2或CH4觀測數(shù)據(jù)篩分為局地值。帕斯奎爾-特納爾穩(wěn)定度判定若氣象數(shù)據(jù)無法滿足梯度理查森數(shù)計算，根據(jù)4.3.2.2計算帕斯奎爾-特納爾穩(wěn)定度并進行分級，若穩(wěn)定度等級為D、E、F，則將相應時刻的CO2或CH4觀測數(shù)據(jù)篩分為局地值。混合時段判定若氣象數(shù)據(jù)無法滿足帕斯奎爾-特納爾穩(wěn)定度以及梯度理查森數(shù)計算，則將每日18:00～次日8:00（北京時間）的CO2或CH4觀測數(shù)據(jù)篩分為局地值。風向與濃度判定經(jīng)過穩(wěn)健局部回歸篩分及大氣穩(wěn)定度判定后，對剩余CO2或CH4濃度觀測值進一步基于風向與濃度進行判定。結合CO2或CH4觀測同期逐時風向數(shù)據(jù)，根據(jù)4.3.1.2計算CO2或CH4的逐月逐風向平均濃度Cm,n，根據(jù)4.3.1.3計算逐月十六風向平均濃度Cm,1?16，根據(jù)4.3.1.4計算逐月十六風向濃度標準差σm,1?16，對于m月n風向，若Cm,n?Cm,1?16>2σ風速判定經(jīng)過穩(wěn)健局部回歸篩分、大氣穩(wěn)定度判定及風向與濃度判定后，對剩余CO2或CH4濃度觀測值進一步基于風速閾值進行判定。結合CO2或CH4觀測同期逐時風速數(shù)據(jù)，將風速小于1.5m/s（一級風）的時刻所對應的CO2或CH4觀測濃度值篩分為局地值。異常值判定經(jīng)過穩(wěn)健局部回歸篩分、大氣穩(wěn)定度判定、風向與濃度判定及風速判定后，針對剩余CO2或CH4濃度觀測值，根據(jù)4.3.1.5逐月計算平均值Cm，根據(jù)4.3.1.6逐月計算標準差σm，對于某時刻，若Cmi?Cm>3σm，則將該時刻數(shù)據(jù)篩分方法選擇優(yōu)先采用綜合篩分法，若無氣象數(shù)據(jù)，則采用穩(wěn)健局部回歸篩分法。采用綜合篩分法時，基于所能收集到的氣象數(shù)據(jù)種類選擇大氣穩(wěn)定度判定方法，具體如下：a)有CO2或CH4濃度觀測數(shù)據(jù)同期地面風速和風向資料，大氣穩(wěn)定度判定采用混合時段判定；b)有CO2或CH4濃度觀測數(shù)據(jù)同期地面風速、風向、云量資料，大氣穩(wěn)定度判定采用帕斯奎爾-特納爾穩(wěn)定度判定；c)有CO2或CH4濃度觀測數(shù)據(jù)同期地面風速、風向、氣溫、氣壓資料，同期大氣邊界層以內風速、氣溫、氣壓資料，大氣穩(wěn)定度判定采用梯度理查森數(shù)判定。篩分流程按照附錄A中圖A.1所示的流程進行資料收集、數(shù)據(jù)處理、本底篩分、篩分選擇。

（資料性）

本底篩分流程本底篩分流程圖

（資料性）

觀測站點信息溫室氣體觀測站點信息表站名地址經(jīng)度（度）緯度（度）海拔高度（米）填寫日期觀測站下墊面類型進氣口高度（米）觀測場周圍環(huán)境觀測站點十六方位照片北北東北東北東東北東東東南東南南東南南南西南西南西西南西西西北西北北西北氣象觀測站點信息表站名地址經(jīng)度（度）緯度（度）海拔高度（米）填寫日期觀測站下墊面類型風觀測高度（米）觀測場周圍環(huán)境觀測站點十六方位照片北北東北東北東東北東東東南東南南東南南南西南西南西西南西西西北西北北西北參考文獻[1]QX/T125-2011溫室氣體本底濃度觀測術語[2]20thWMO/IAEAMeetingonCarbonDioxide.OtherGreenhouseGasesandRelatedMeasurementTechniques(GGMT-2019).[3]IrwinJS.Estimatingplumedispersion-arecommendedgeneralizedscheme.FourthSymp.Turbulence.Diffusion,AirPollut.Reno,NevadaAmMetSoc,1979.62-69.[4]O'DohertyS,SimmondsP,CunnoldD,etal.InsituchloroformmeasurementsatAdvancedGlobalAtmosphericGasesExperimentatmosphericresearchstationsfrom1994to1998.JournalofGeophysicalResearch:Atmospheres,2001,106(D17):20429-20444.[5]PuJJ,XuHH,HeJ,etal.EstimationofregionalbackgroundconcentrationofCO2atLin'anStationinYangtzeRiverDelta,China.AtmosphericEnvironment,2014,94:402-408.[6]RuckstuhlAF,JacobsonMP,FieldRW,etal.Baselinesubtractionusingrobustlocalregressionestimation.JournalofQuantitativeSpectroscopy&RadiativeTransfer,2001,68:179-193.[7]RuckstuhlAF,HenneS,ReimannS,etal.Robustextractionofbaselinesignalofatmospherictracespeciesusinglocalregression.AtmosphericMeasurementTechniques,2012,5:2613–2624.[8]ThoningKW,TansPP,KomhyrWD.AtmosphericcarbondioxideatMaunaL