引用本文:周烽，李晓斌，张力，等. 光谱学技术在温室气体监测方面的研究进展[J]. 化学试剂，2024，46(11)：105-113.
背景介绍
温室气体的增加会造成“温室效应”，即这些气体在地球大气中聚集，形成一层“毯子”，阻止热量散逸到太空，导致全球气温上升。全球变暖引发的影响包括气候极端化、海平面上升、生物多样性减少等，进而影响人类的生存与发展。在我国“碳达峰、碳中和”工作开展的背景下，急需高效的方法来弄清楚温室气体的基本情况。
文章亮点
1.介绍了温室气体监测技术的发展情况，并列举了每种技术的特点；
2.介绍了国内外针对温室气体监测技术的应用进展情况，并列举了每种技术取得的成果；
3.总结目前国内温室气体监测技术发展的现状以及取得的成果，针对目前存在的问题提出个人的一些看法，并展望国产仪器发展前景。
内容介绍
1 温室气体在线监测光谱法
1.1 非分散红外吸收光谱法（NDIR）
非分散红外吸收光谱技术是红外吸收法的一种，利用物质的特定波长光的吸收特性，测量其强度变化。系统结构图如图1所示。
周凌晞等[16]利用NDIR对瓦里关基准站的CO2浓度进行长时间监测，分析了不同季节不同气象条件（如风速、风向等）下对CO2测量值的影响，并统计了大气CO2浓度在不同季节的分布情况和日变化类型，其中不同季节CO2浓度日变化如图2所示。
1.2 傅里叶变换红外光谱法（FTIR）
傅里叶红外光谱仪主要由红外光源、迈克尔逊干涉仪、样品池、光电检测器等组成。其中迈克尔逊干涉仪是傅里叶红外光谱仪的核心组成部件，干涉仪的工作原理如图3所示。
吕永雪等[25]研制了一套开放光路傅里叶变换红外光谱用于温室气体CO2、CH4和CO的高精度检测，开展了与Picarro温室气体分析仪的比对测试，比对结果如图4所示。
1.3 可调谐半导体吸收光谱法（TDLAS）
可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术使用可调谐半导体激光器做为光源，这种激光器具有窄线宽特性，并且光源发射的光波长会随注入电流进行改变，通过激光器波长的调制，使激光器的波长保持在与被测组分气体波长一样或者及其接近的地方，这样可以实现对单种气体分子、或者几种吸收峰接近并且辨别困难的气体成分的检测。
梁承权等[32]搭建了基于TDLAS技术的气体浓度检测系统来测试甲烷，通过实验证实采用小波变换的算法可以减小噪声干扰，结果如图5所示，通过去噪处理提高甲烷浓度的检测精度。
1.4 光腔衰荡法（CRDS）
光腔衰荡法的技术原理如图6所示，光源采用脉冲激光器，衰荡腔由一系列的光学器件组成，其中最重要的是两个反射镜，它们的反射率均在99%以上。
安徽光学精密机械研究所刘文清等[38-40]在2014年成功利用CRDS技术对大气中CO2和CH4进行高精度测量，在青藏高原地利用飞艇实现对CH4的垂直观测，结果如图7所示。
1.5 离轴积分腔法（OA-ICOS）
离轴积分腔法与衰荡法原理相似，两者均采用光学谐振腔，通过谐振腔内的高反射镜使得激光在光学谐振腔内多次来回反射以增加物质的有效吸收光程。
李俊豪等[47]基于离轴积分腔光谱技术研制了一套大气CH4浓度探测系统，该系统采用开放光路，提高系统的灵敏度、分辨率，同时采用笼式结构的光学谐振腔，使得系统整体更加稳定，系统原理图如图8所示。
2 基于光谱学技术分析仪器国内研究情况
我国基于国际履约工作开展及“双碳”目标工作的提出，积极开展温室气体浓度变化趋势、空间分布、构成、性质等各项研究工作，为实现“双碳”目标提供重要的数据支撑和依据。而温室气体监测仪器是开展各项研究的重要工具，我国温室气体监测研究多依赖于进口设备，而这些设备价格昂贵，维修费用较高，更换配件耗时长等，这些问题严重影响了科研工作的开展进度，因此高精度温室气体监测仪器的国产化需求迫切，同时发展高精度的国产化温室气体监测仪器也是国家生态环境监测系统构建工程中的重要组成部分。
总体来说，国外仪器占有研发早的优势，仪器性能相对领先，我国起步相对较晚，但是面对存在的问题更加直接，省去了不断试错的宝贵时间，可以专注于突出问题进行突破，国产仪器实现弯道超车未来可期。
3 总结与展望
温室气体监测对于温室气体排放水平评估、温室气体减排的推动工作具有重要意义，是深入开展碳循环以及气候变换研究的重要基础。目前针对全球碳循环级气候变化的研究正在从不同的方面开展工作，其中对于温室气体的监测是重要的组成部分，而温室气体背景和区域监测又是监测研究工作中的热点，而这些研究对仪器设备具有很高的性能要求，如高稳定性、高准确性、高灵敏度以及仪器操作简单等。
各国在监测技术方面也在不停的研发，新老技术的更替，监测技术、性能的不断提高，使得监测数据更加精准，我国温室气体基于光谱学的监测技术经过了近二十年的发展取得了不错的成绩，但还是面临着一些问题：
（1）大部分高精度的监测仪器价格相对昂贵，操作人员需要具备一定的专业水平，大规模布点形成监测网还难以实现；
（2）高精度背景监测仪器目前主要还是以进口仪器为主，某些仪器处于垄断水平，而且这些仪器对校标工作要求严格，导致温室气体监测在空间上的精度不够，并且更新的频率也收到限制；
（3）对于温室气体监测，除了对监测仪器性能有要求，进样系统和校标系统也是保证数据准确性的关键，采样系统作为温室气体监测的前处理部分，对监测结果会造成影响，前处理其中的一个很重要的作用及时对温室气体样气进行除水，因为样气中含有的水分对监测仪器都会有一定程度的影响；为了保证仪器数据测量的准确性，需要使用标准气体对仪器进行定期的定量校准工作，因此对校准气体进行溯源就显得尤为重要，而目前我国的监测工作缺少采样系统和校标系统的配备，而且我国的温室气体校标溯源中心数量不够，难以满足我国目前对温室气体监测发展的需求。虽然温室气体监测工作存在一定问题，监测仪器的性能、数量跟国外水平还存在一定的差距，但是这种差距在不断缩小，特别是在国家“双碳”目标的推动下，温室气体相关的监测技术的发展迫在眉睫，国家也加大了相应的支持力度，国产监测技术未来实现超越也是完全有可能的。
