大气成分观测业务规范征求意见稿.docx
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大气成分观测业务规范征求意见稿
大气成分观测业务规范
(征求意见稿)
中国气象局综合观测司
(2011年5月)
前言
20世纪80年代以来,我国先后建成了上甸子、临安、龙凤山三个区域大气本底观测站和瓦里关全球大气本底基准观象台。
2004年开始,启动了香格里拉、阿克达拉和金沙3个新建区域大气本底站的科学论证、试验、建设等工作。
从2001年开始,通过实施沙尘暴监测预警服务系统一期工程,建立了基本覆盖沙尘暴源区、主要移动路径、严重影响区的沙尘暴监测站网。
从2005年开始,在已建的大气本底观测站网和沙尘暴站网基础上,又拓展建立了大气成分骨干观测网,在关键和典型地区初步建成了中国气象局大气成分观测站网。
同时,部分地区根据当地气象服务的需要,开展了与大气成分观测相关的环境气象观测工作。
随着我国应对气候变化和各地气象服务工作的深入,对大气成分观测的需求不断增加,观测内容和要求也不断完善,亟需制订相应的观测规范来规范和指导大气成分观测工作。
因此,从2010年开始,中国气象局综合观测司组织气科院、探测中心开展大气成分观测业务规范的编制工作,目前已经形成征求意见稿。
本规范秉承世界气象组织《全球大气监测观测指南》(《GlobalAtmosphereWatchMeasurementsGuide》)的基本要求,依托多年来形成的大气成分观测业务流程,在吸收现有大气成分观测业务管理和技术手册的精髓基础上,进行了完善和提升,同时也考虑了因地方气象服务需要而开展的观测要求。
因此,本规范不仅适用于中国气象局统一布局的大气本底、沙尘暴和大气成分等观测工作,也适用于各地根据地方气象服务需求开展的大气成分相关观测工作,以及相关的科学研究试验观测工作。
本规范规定了大气成分观测的基本任务、观测方法、技术要求以及观测记录的处理方法;各种观测仪器的具体安装、操作和维护以及业务软件的具体使用方法由相应的使用手册进行规定,并成为本规范的重要补充。
本规范由张晓春同志主持编写,陈永清、靳军莉、张宇、汤洁、孙俊英、徐晓斌、周凌晞、郑向东、车慧正、林伟立、周怀刚、马千里、李菲、耿福海、乜虹、何芳、云艳等同志参加编写。
目录
前言I
第一编总则1
第1章观测组织工作1
1.1观测业务的分类、观测方式1
1.1.1观测站分类1
1.1.2观测方式2
1.1.3观测任务2
1.2观测项目2
1.2.1国务院气象主管机构规定的观测项目2
1.2.2按省、地、县级气象主管机构自行规定的观测项目3
1.3观测程序4
1.3.1自动观测方式4
1.3.2人工观测4
1.4时制、日界和对时4
1.4.1时制4
1.4.2日界4
1.4.3对时4
1.5大气成分观测员5
第2章大气成分观测场址6
2.1基本要求6
2.2技术要求6
2.2.1观测场6
2.2.2观测室7
2.3仪器布设原则8
2.3.1室外观测仪器布设8
2.3.2室内仪器布设8
2.4站址变动要求9
第3章观测仪器9
3.1一要求9
3.2主要仪器基本技术性能指标10
3.2.1气溶胶类观测仪器10
3.2.2温室气体类观测仪器10
3.2.3反应性气体类观测仪器11
3.2.4臭氧总量观测仪器11
3.2.5辐射观测仪器12
3.2.6酸雨及降水化学观测仪器12
3.3维护、检修和标校职责分工12
第二编大气成分观测14
第4章气溶胶类观测14
4.1概述14
4.2气溶胶吸收特性观测15
4.2.1基本原理15
4.2.2仪器的安装、使用和维护16
4.3气溶胶质量浓度17
4.3.1基本原理17
4.3.2仪器的安装、使用和维护18
4.4气溶胶光学厚度20
4.4.1基本原理20
4.4.2仪器的安装、使用和维护21
4.5气溶胶散射特性22
4.5.1基本原理22
4.5.2仪器的安装、使用和维护24
4.6气溶胶膜采样25
4.6.1基本原理25
4.6.2仪器的安装、使用和维护26
第5章温室气体类观测27
5.1概述27
5.2碳循环温室气体样品采样27
5.2.1基本原理27
5.2.2仪器的安装、使用和维护28
5.3CO2本底浓度观测:
非色散红外分析28
5.3.1基本原理29
5.3.2仪器的安装、使用和维护29
5.4CH4/CO2浓度观测:
气相色谱法-FID30
5.4.1基本原理30
5.4.2仪器的安装、使用和维护30
5.5CO/CH4/N2O/SF6浓度观测:
气相色谱法-FID/ECD31
5.5.1基本原理31
5.5.2仪器的安装、使用和维护31
5.6CO2/CH4浓度观测:
波长扫描光腔衰荡光谱技术(WS-CRDS)/离轴积分腔输出光谱技术(OA-ICOS)32
5.6.1基本原理32
5.6.2仪器的安装、使用和维护32
5.7碳循环温室气体标准气配制系统33
5.7.1基本原理33
5.7.2仪器的安装、使用和维护33
第6章反应性气体类观测35
6.1概述35
6.2一氧化碳:
非色散红外气体过滤相关法35
6.2.1基本原理36
6.2.2仪器的安装、使用和维护36
6.3二氧化硫:
紫外荧光法37
6.3.1基本原理38
6.3.2仪器的安装、使用和维护38
6.4氮氧化物:
化学发光法39
6.4.1基本原理39
6.4.2仪器的安装、使用和维护40
6.5地面臭氧:
紫外光度法41
6.5.1基本原理41
6.5.2仪器的安装、使用和维护41
第7章臭氧总量观测43
7.1概述43
7.2观测原理43
7.3仪器的安装、使用和维护44
第8章辐射观测46
第9章酸雨及降水化学观测47
第三编观测数据采集、传输与质量控制48
第10章观测数据采集与传输48
10.1数据采集方式48
10.1.1自动采集方式48
49
10.2观测数据格式及编码49
10.3数据传输与监视49
第11章数据存档、使用与管理51
11.1数据存档51
11.2数据使用与管理51
第12章观测质量保证与质量控制52
12.1质量保证52
12.2数据质量控制52
第13章数据采集与传输业务软件功能53
13.1沙尘暴站网业务软件系统53
13.1.1数据采集软件53
13.1.2数据集成软件53
13.2大气成分站网业务软件系统54
13.2.1前端下载软件54
13.2.2数据采集软件55
13.2.3质控信息采集软件55
13.2.4传输软件55
第一编总则
第1章观测组织工作
大气成分观测是综合气象观测的组成部分,是对一定范围内大气化学成分和相关物理特性及变化过程进行长期、稳定、持续的观察和测定,为研究大气成分变化对天气、气候以及人体健康的影响等提供可靠的基础资料。
大气成分观测是每个大气成分观测站的基本工作任务,必须严肃、认真、负责地做好。
本规范是从事大气成分观测工作的业务规则和技术规定,观测工作中必须严格遵守。
大气成分观测仪器和业务软件的操作手册、技术规定等是对本规范的必要补充,编制时必须以本规范为依据,其内容不得与本规范相违背。
大气成分观测人员在认真贯彻执行本规范的同时,也要熟练掌握大气成分观测仪器和业务软件的技术、操作手册中的有关内容,确保正确顺利地完成大气成分观测任务。
本规范的制定、修改和解释权属国务院气象主管机构。
1.1观测业务的分类、观测方式
1.1.1观测站分类
大气成分观测业务可分为大气成分本底观测业务、大气成分基本观测业务和环境气象观测业务三类。
大气成分本底观测业务——为长期稳定地获取全球和国家重点区域大气成分本底变化基础数据资料而设置的观测业务。
主要包括全球大气本底站、区域大气本底站。
大气成分基本观测业务——为获取反映典型区域或代表性地区经济发展和人类活动导致的大气成分及其物理、化学特性的变化和趋势而设置的观测业务。
主要包括由中国气象局统一布局的沙尘暴和大气成分观测站。
环境气象观测业务——指由各地方气象部门为了满足当地气象服务需求而开展的与大气成分相关的观测业务。
1.1.2观测方式
大气成分观测可分为人工观测(采样)和自动观测两种方式。
其中,人工观测(采样)方式主要包括各类大气成分样品的采集、观测等。
自动观测方式主要包括各类大气成分在线观测。
1.1.3观测任务
大气成分观测工作的基本任务是观测,数据及相关信息(样品)的采集与记录,数据的存储、传输和数据质量控制,仪器设备维护、检修与标校等。
为积累大气成分观测资料,按有关技术规定和要求进行观测。
自动观测项目每天24小时连续观测;人工观测和采样项目按有关技术规定和要求进行。
大气成分观测资料及相关信息按规定的时次和数据格式进行采集、上传、存储、备份及归档。
按有关要求统计整理观测记录,进行数据质量检查和数据质量控制。
对人工采集的各类样品及相关信息等按有关规定和技术要求进行妥善保存,并按规定寄送。
按有关技术要求和规定进行观测仪器设备的日常巡检、常规维护、检修和标校。
按有关规定和要求,记录与观测业务相关的各种事件和活动,编发台站数据质量控制信息记录报告。
承担国务院气象主管机构或省级气象主管机构规定开展的相关观测。
1.2观测项目
1.2.1国务院气象主管机构规定的观测项目
根据世界气象组织《全球大气监测观测指南》,结合我国大气成分观测业务的实际,大气本底观测、大气成分基本观测、环境气象观测以及实验室样品分析等业务主要开展的观测要素见表1。
表1.大气成分主要观测要素
1.2.2省、地、县级气象主管机构规定的观测项目
由省、地、县级气象主管机构根据需要自定。
1.3观测程序
1.3.1自动观测方式
每日上午、下午应至少对观测场和仪器设备各进行一次巡检,记录相关检查结果。
具体要求和时间参照值班制度由各站自定,但站内必须统一;
通过数据采集程序、运行监控或数据显示程序检查仪器设备的数据采集是否完整,各类数据或信息文件传输是否正常,相关要素变化特征是处于正常变化范围等;
按照各观测项目技术规程和技术手册按时完成观测仪器的日常巡检、常规维护、检修和标校,发现异常或故障时及时处理。
按照各类要素数据传输时效要求完成观测数据的采集、存贮和发送。
1.3.2人工观测
一般应在采样前24小时对人工采样、观测设备进行检查,尤其是要注意采样器的充电是否正常,采样瓶或采样膜有无破损等;
按有关技术要求完成样品的采集;对因天气或其他原因未完成观测或采样的,应及时补测或补采,并进行记录;
按规定详细记录观测站数据质量控制信息;
每日世界时00:
30之前,完成前一日数据质量控制信息记录的录入、核对及存贮;
观测程序的具体安排,台站可根据观测项目具体要求而确定,但全站的观测程序必须统一,并且尽量少变动。
1.4时制、日界和对时
1.4.1时制
除地面气象要素和特殊要求外,观测项目均采用世界时。
1.4.2日界
大气成分观测项目均采用世界时00时为日界。
1.4.3对时
台站观测时钟采用世界时。
每日世界时11时前应检查仪器及计算机时间,必要时进行调整,以使观测仪器、计算机时间与标准时间之间的偏差符合相关技术要求和规定的误差。
1.5大气成分观测员
应经过系统业务技术培训,取得省级或以上业务主管部门认定的大气成分观测业务岗位资格。
应熟练掌握大气成分观测技术,严守观测值班纪律,关注测站及周边可能对大气成分观测产生影响的活动,坚持实事求是,不得涂改、伪造观测记录,积极、认真地按本规范的要求完成观测任务。
负责观测仪器和场地的日常巡检、常规维护、检修和标校等,时刻保持仪器和场地处于良好状态。
在观测仪器设备出现异常或故障时,应及时报告并采取有效措施,尽快恢复观测。
在每次观测时,要及时、认真地填写观测记录和向微机终端输入人工观测、采样以及台站数据质量控制信息等记录,并应按规定的数据格式和编码规定按时发送观测数据,进行资料整理和编制报表。
应积极参加业务主管部门组织的专项业务技术进修培训,不断掌握新的观测业务技术知识和新仪器的使用维护方法。
应积极参加业务主管部门定期组织的考核。
第2章大气成分观测场址
2.1基本要求
大气成分观测站址应设在能较好地反映区域性较大范围大气成分特征及其变化特点的地方,避免局部地形的影响,应避开地方性雾、烟等大气污染局地影响。
应位于当地海拔的一个相对高地。
在大范围较平坦地表设立的观测站,应选择高大建筑物或通过架高观测平台,使观测的结果尽可能多的代表较大范围或区域大气的平均状况。
观测平台应高出周围障碍物(例如树木、高草、灌木等),观测平台四周应尽量空旷平坦,避免陡坡、洼地或邻近有铁路、公路、工矿、烟囱、高大建筑物的地方。
大气成分观测系统如果建设在已有的气象站观测区域内时,应布设在上风方,以避免其他观测项目开展时,观测人员开展观测活动对大气成分观测的影响。
具备稳压供电、雷电防护、交通、通讯及数据传输、观测队伍等基础及配套条件。
观测站址选择参照气象行业标准《大气成分观测站址选择》执行。
2.2技术要求
2.2.1观测场
大气成分本底观测站和大气成分基本观测站的气象观测场要求参照地面观测规范执行。
大气成分本底观测站应拥有自主产权或长期使用权的观测场地,并具有良好的观测环境保护区(核心保护区和外围保护区)、设施和保护措施。
大气本底观测站和大气成分基本观测站观测场地应远离树木、建筑物、墙或其它障碍物。
观测仪器以及其他设备设施应互不干扰。
对于采样口类型观测项目环境要求为采样口空间水平范围大于120度没有遮挡物且高于最低下垫1.5米以上,所测量的要素特征值要具有代表性。
观测场内根据大气成分观测仪器布设位置和线缆铺设需要,在场内小路下修建电缆沟(管),电缆沟(管)应做到防水、防鼠,便于维护。
观测场、观测平台等供电线路及相应的配电设施应具有较好的防风、防水、防老化等性能。
环境气象观测站的观测场中开展大气成分辅助气象观测,可根据开展观测需求而适当放宽观测场要求。
观测场的防雷设施必须符合气象行业规定的防雷技术标准的要求。
2.2.2观测室
根据开展观测项目的实际情况,可选择房间或者集装箱作为观测室。
大气成分基本观测室和环境气象观测室的面积,应视具体观测项目而定,并预留仪器检修、标校等活动空间。
观测室内地面、墙壁、顶棚均采用不易起尘的材料装饰。
屋顶应具有一定的承重能力,以便仪器安装和维护;室内不能有强震动、强电磁辐射的设备,环境应清洁、通风、整齐、防潮,不起尘。
观测室内要求恒温,温度变化要小,一般为25±3℃,湿度控制在60%以下。
冬季取暖只能采用空调或电暖气设备,禁止使用煤(柴)炉。
在观测室顶部及侧壁的适当位置应预留直径为5-10厘米的孔洞(需要根据具体观测项目情况而定),以便于仪器采样管和信号线引入室内。
观测室墙壁下部适当位置需要设有排气口,排气口外接有排气管路,管路中部设有排气扇将管内气体抽出,排气管路的出气口与观测仪器的进气口水平距离应在10米以上,排气口离站房内地面的距离应保持在20厘米以上,用于排放采样装置进气管路的多余气体和监测仪器的尾气。
观测室应具有稳定的电力供应系统和设施,具有足够的设备运行载荷量。
电线、电路以及相应电气设备的架设需要合电力部门要求,具有良好接地和地网(阻值小于4欧姆)。
观测室内供电质量要求可靠,应配备具有稳压过滤功能的稳压电源和不间断电源,保证站内供电的电压波动不超过±5%。
如供电指标达不到要求,则应安装多级稳压设备。
站内实验室仪器用电、生活照明用电和观测场用电的线路要各自独立分开,避免互相干扰,并兼顾三相平衡。
观测室内应设有可靠通讯电话,可实现省内、国内的直拨;观测室内应具有可靠的数据传输线路,具备数据传输和接入Internet的能力,室内应至少具有2个网络端口。
根据中华人民共和国气象行业标准《气象台(站)防雷技术规范》(QX4-2000)的有关要求,观测站的防雷等级为最高级。
直流地、保护地和防雷保护地的接地电阻应按照国家有关标准实施。
2.3仪器布设原则
2.3.1室外观测仪器布设
观测场内仪器布设,应参照地面观测规范中的有关要求。
温室气体气瓶、罐采样,宜在室外进行,采样点应选在四周宽阔无遮挡、无污染的上风方向,避开局地污染。
能见度仪安装在观测场内东侧或西侧,仪器中心轴线向南、北向至少各3米范围内下垫面无遮挡和强反射体。
气溶胶光学厚度观测仪器宜安装在观测室顶部或观测场内,四周视野开阔,5度视角以上无遮挡。
气溶胶化学膜采样设备一般安装在观测室顶部或观测场内。
降水化学的自动降水采样器安装在观测场内,安装布设要求参见地面观测规范。
2.3.2室内仪器布设
仪器可摆放于平整、稳固、耐磨的桌面上,仪器间距离宜大于50厘米,仪器背部距墙体距离宜大于50厘米,以便于仪器设备的检修。
气溶胶类观测仪器设备进气管路宜位于仪器正上方,保持垂直。
采样管应伸出观测室并避免盘绕和弯折,观测室屋顶开孔处应进行防水和密封处理。
气溶胶质量浓度、吸收特性、散射特性观测仪器进气口应高于观测室屋顶1.2-1.5米,温室气体观测仪器设备专用采样管进气口距地面高度宜高于30米,一般需要一个小塔。
反应性气体一般安装于专用机柜内,机柜周边宜留有至少1米范围用于操作和检修。
反应性气体进气管路应布置在房间角落或墙边,安放牢固,且易于清洗,仪器废气宜通过专用管线排到室外下风方向。
反应性气体设备采用共线式进气系统,进气口高度应高于观测室屋顶1.5米。
标准气钢瓶应加装安全防护带,可以采用气瓶架或者用一端固定在墙上的铁链捆绑钢瓶,防止歪倒。
气溶胶激光雷达安装在专用观测房内,垂直空域内无遮挡和固定飞机航线。
室内装有空调时,应注意避免直吹仪器,中央空调的出风口不可在仪器正上方。
2.4站址变动要求
大气成分本底观测站和大气成分基本观测站的站址变动,由国务院气象主管机构审批。
环境气象观测站站址变动由省级气象主管机构审批。
第3章观测仪器
3.1要求
具有国务院气象主管机构业务主管部门颁发的使用许可证,或经气象主管机构业务主管部门认可使用的仪器;
技术性能指标满足业务要求;
具有较好的软、硬件集成性能,仪器结构简单、牢靠耐用,具有较好的稳定性、抗震性,适合自动观测。
具有较好的防雷、防静电、抗干扰、防腐蚀、防水以及可维护性;
具有RS232等数字信号的输出端口,系统有数据自检、诊断功能。
操作和维护方便,具有详细的操作、技术手册;
易于维护、检修,能维持长时间连续运行;
具有完备的售后服务支持,稳定的耗材、配件备件等供应渠道;
具有较高可靠性、准确性,能够获取准确的观测数据;
具有成熟的标校、数据订正处理、数据质量控制等措施和方法,能够确保观测数据的质量。
3.2技术性能指标
大气成分观测仪器设备的基本技术性能应符合以下要求,部分仪器设备的技术性能指标参见附件一。
3.2.1气溶胶类观测仪器
测量要素
测量范围
灵敏度
测量精度
平均时间
吸收特性
0~1,000,000ng/m3
<0.1μg/m3
5%
5min
PM10
0-10mg/m3
±5.0mg/m3(10分钟平均)
±1.5mg/m3(1小时平均)
5min
PM10/PM2.5/PM1
0.1~1500µg/m3
±3µg/m3
5min
光学厚度
5min
积分浊度仪
2.0×10-7/m(σsp)波长550纳米时
5min
便携气溶胶采样器
0~10升/分
5min
凝结核粒子计数器
7纳米-3微米
±10%(0-5.0X105个/cm3)
±20%(>5.0X105个/cm3)
5min
3.2.2温室气体类观测仪器
测量要素
测量范围
灵敏度
测量精度
平均时间
便携采样器
0~10升/分
CO2红外分析法
0~1,000ppm
0.15ppm/v
0.1ppm
1min
CH4/CO2气相色谱法
0~1,000ppm
0.1ppm
波长扫描光腔衰荡光谱技术
(5sec/5min,1-σ)
CH4:
1ppbv/<0.7ppbv
CO2:
150ppbv/<50ppbv
H2O:
100ppmv/50ppmv
1min
离轴积分腔输出光谱技术
(1σ,5sec/100sec):
CH4:
1ppbv/0.25ppbv;
CO2:
200ppbv/35ppbv;
H2O:
100ppmv/35ppbv
碳循环温室气体标准气配制系统
0-3000psi
3.2.3反应性气体类观测仪器
名称
测量范围
测量精度
线性误差
噪音水平
最低检测限
95%响应时间
零点漂移
跨度漂移
红外气体过滤相关CO分析仪
0~>10ppm
±1%FS
<0.02ppm(30s)
0.04ppm
60s(30s时间)
<0.01ppm/天
±1%FS/天
紫外荧光法二氧化硫分析仪
0~>200ppb
±1.0ppb
±1%FS
<0.5ppb
不大于1ppb
<4分
<1.0ppb/天
±0.5%FS/周
化学发光氮氧化物分析仪
0~>200ppb
±0.5ppb
±1%FS
<0.25ppb(60s)
1ppb
<90s(60s时间)
<0.5ppb/天
±1%FS/天
紫外光度臭氧分析仪
0~>200ppb
±2ppb
±1ppb
<1ppb
2ppb
<20秒
<0.5%FS/月
±1%FS/月
3.2.4臭氧总量观测仪器
臭氧总量观测仪器的主要性能技术指标如下所示:
名称
性能指标
分光光度计
紫外运行波长
306.3纳米、310.0纳米、313.5纳米、316.8纳米、320.0纳米
汞灯标定波长
303.2纳米
分辨率
0.6
稳定度
±0.1纳米
精度
0.006±0.002纳米
测量范围
290-340纳米
出射狭缝周期
0.2294秒/缝/周≈1.6秒/周期
测量准确度
±1%(对于直接射光)
运行温度
-20℃~40℃
天顶步进马达
分辨率
±0.13度
24小时准确度
±0.25度
角度范围
0~270度
水
平
跟
踪
器
分辨率
±0.02度
24小时准确度
±0.2度
最大回转率
3.91度/秒
最大角度偏移
-60~420度
最大静转动力矩
14.9牛顿米
运行温度
-20℃~40℃
3.2.5辐射观测仪器
WMO地基辐射基准站网测量的有关不确定度指标如下:
BSRN测量不确定
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