前沿应用 | ICOS Cities：欧洲三大城市高塔涡动通量观测与排放清单融合分析

2026-07-17 09:29:29 布鲁克（北京）科技有限公司-光谱仪器

随着全球对碳中和目标的持续推进，精准量化并追踪城市尺度的温室气体排放已成为当前气候研究的重中之重。近期，发表在国际环境科学权威期刊 ACS EST Air 上的最新研究，详细展示了如何利用高塔涡动相关（Eddy Covariance, EC）通量观测技术结合足迹模型（Flux Footprint），对欧洲三大城市的温室气体排放清单进行高精度验证与时空解析。

在本研究中，布鲁克 MGA7 七组分气体分析仪作为核心观测设备之一，凭借其卓越的高频采样能力与多组分同步分析性能，为研究团队提供了关键的温室气体及同源污染物连续观测数据。

文章摘要

城市地区人类活动密集，是人为温室气体排放的“热点”区域。然而，由于缺乏对排放量时空变化趋势的直接测量数据，制定有效的针对性减排计划备受阻碍。本研究以苏黎世、慕尼黑和巴黎三个城市为试点，将高精度自下而上的排放清单、动态足迹模型与长期通量观测数据相融合。

研究表明，对于 CO₂ 而言，固定燃烧和道路交通是主要排放源，且跨城市表现出高度一致性；而对于 CO 和 CH₄通量，不同城市的排放部门贡献和时空变化则差异显著。该研究结果为利用高频通量观测改进和校准多组分城市排放清单提供了坚实的科学基础。

观测挑战与仪器方案

涡动相关（EC）技术已在农田、森林等均匀下垫面中得到广泛应用，但在高异质性的复杂城市环境中，精准识别特定气体的真实排放源仍面临巨大挑战。

在 ICOS Cities 项目的部署中，除了常规的开路CO₂分析仪外，研究团队引入了布鲁克 MGA 系列高频闭路多组分气体分析仪（MGA 7），用于CO₂、CO、CH₄、NO、NO2、N2O等气体的高频涡动通量观测。

MGA 系列

多气体同步测量的创新仪器

在三个城市站点为期约六个月的跨站点轮转观测中，MGA 7成功实现了对 CO 和 CH₄ 等关键共同排放物通量的连续精准测量。
对比传统单组分设备，MGA兼顾了 10Hz 高频响应与系统观测优势。它在同一采样腔室同步捕捉温室气体（CO₂、CH₄、N₂O）与污染物（CO、NOx）的瞬态脉动，避免多机组合的时空误差，提升涡度溯源数据的有效性。

图文导读与核心发现

CO₂通量的季节与日变化特征

研究将模型输出的CO₂通量（包含人为与生物源）与高塔观测结果进行了对比。
结果显示，所有人为通量在冬季显著高于夏季，且日间通量明显高于夜间，这与人类活动的固有规律高度契合。

CO 与 CH₄通量验证

利用实况数据评估模型发现，所有站点的 CO 模拟通量均与观测结果达到了“强”相关水（r≥0.68）。
相比之下，CH₄的模拟通量与观测数据仅表现出弱相关性，模型在多个站点均存在大幅高估或低估实际排放的现象。这直接暴露出传统清单在估算无组织人为甲烷排放时的局限性，反向印证了引入高精度仪器进行直接原位观测的极端重要性。

排放源部门拆解

（Source Sector Decomposition）

研究团队对不同城市的通量信号贡献部门进行了拆解。
对于CO₂，所有站点的绝对主导排放源均为固定燃烧，其次是道路交通。
对于 CO 排放，苏黎世主要源于道路交通和固定燃烧，而慕尼黑和巴黎则受到非道路交通（off-road transport）的显著影响。
对于CH₄，除了苏黎世表现为固定燃烧主导外，慕尼黑和巴黎的甲烷通量极大地受控于废弃物处理（Waste）和无组织排放（Fugitives）。

核心排放部门的典型日变化规律（夏冬对比）

文章选取夏季（7月）与冬季（12月），对比了各城市主导排放部门的日变化趋势。
对于CO₂和 CO，道路交通在夏冬两季呈现出几乎完全一致的“早晚高峰”双峰特征（受夏令时影响略偏移 1 小时）；而固定燃烧不仅在冬季排放量激增（可达夏季的 5-10 倍），且一天内存在明显的早间与夜间双峰值。
对于CH₄，废弃物处理的日变化特征在夏冬两季波动显著，例如在慕尼黑，其夏季的日间排放量甚至高于夜间。

结论与展望

对于CO₂，传统清单尚能勉强描绘趋势；但对于人为排放的 CO 和CH₄，由于其排放源的高度复杂性（如废弃物降解、天然气管网无组织泄露等），传统自下而上的静态宏观统计往往面临严重的失真与低估。将高频多组分气体通量观测与足迹模型及清单相互卷积，是深入校验传统排放清单、制定局部温室气体精准减排规划的“破局之道”。

原文链接：Insightsfrom the Convolution of Emission Inventories with Flux Footprints from TallEddy Covariance Towers at Three European Cities | ACS ES&T Air