CN116519887A - 适用于大气二氧化碳浓度高密度观测的数据质量控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了适用于大气二氧化碳浓度高密度观测的数据质量控制方法，包括：检测NDIR分析仪是否产生漂移，校准历史观测数据，并校准NDIR分析仪；校准CRDS分析仪，获取NDIR分析仪与CRDS分析仪的读数并计算差值，获取差值的滑动平均值，将滑动平均值减去上次NDIR分析仪校准后的差值作为累计偏差，若累计偏差超过指定阈值，则初步判定NDIR分析仪产生漂移；对初步判定漂移的NDIR分析仪进行外场校准，获取校准后的NDIR分析仪的读数偏差，若超过指定阈值，则确认产生漂移。本发明能改善仪器因读数漂移导致的观测误差，在运行过程中实时跟踪反馈数据质量，满足城市地表大气CO2浓度观测的需要。
Description
技术领域
本发明涉及适用于大气二氧化碳浓度高密度观测的数据质量控制方法，属于环境质量监测技术领域。
背景技术
城市是人为温室气体的排放热点，贡献了70%以上的人为CO2排放量（Duren, R.M.,&Miller, C. E. (2012). Measuring the carbon emissions of megacities.Nature Climate Change, 2(8), 560–562），因此准确估算城市温室气体排放量是实现“双碳”目标的关键。但是，城市内部CO2排放源的时空分布十分复杂，需要开展城市街区尺度（10m-10km）的地表大气CO2浓度高密度观测，获得准确、长期、全覆盖且时空分辨率高的观测数据，为精准定位排放源、评估双碳目标的实施效果提供科学工具。
当前地表大气CO2浓度观测的主要仪器，包括光腔衰荡光谱仪、可调谐二极管激光光谱仪、离轴积分腔输出光谱仪等，但是这些仪器价格昂贵，难以实施高密度观测。而非色散红外气体技术（以下简称NDIR技术）的高性价比，是目前解决成本问题的最佳选择。但是，以NDIR技术研发的CO2气体分析仪（以下简称NDIR分析仪）主要应用于工业观测场景，这种测量场景的量程大、精度要求低，当应用于大气CO2浓度的观测时，由于大气CO2浓度低、变化范围小，需要定期、准确的校准来校准仪器的读数偏差，严格控制精度、弥补稳定性不足的问题。
标准物质测试的方法（JB_T 11622-2013《非色散红外气体传感器》）是当前NDIR分析仪校准的权威方法。但是，NDIR分析仪的输出信号极易受环境条件的干扰，在温湿压变化的情况下会发生读数漂移，如果采用标准物质测试的方法进行校准，就需要创建一个可控制的温湿压和CO2浓度的工作环境，不仅难度大而且成本高。此外更重要的是，这种校准方法只能对数据质量进行事后评价，无法实时监控仪器的运行状况，不能及时发现仪器读数的漂移问题。因此，标准物质测试的方法并不适合城市地表大气CO2浓度的高密度组网观测。
基于以上问题，如何开发低成本、高质量的校准方法，全程质量跟踪保证观测数据的可靠性，结合物联网技术对高密度观测网进行智慧化管理，高效整合各类资源，最大限度地减少人力投入，是城市碳源汇监测的关键问题之一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供适用于大气二氧化碳浓度高密度观测的数据质量控制方法，既能改善仪器因读数漂移导致的观测误差，又能在运行过程中实时跟踪反馈数据质量，满足城市地表大气CO2浓度观测的需要。
为达到上述目的，本发明提供一种适用于大气二氧化碳浓度高密度观测的数据质量控制方法，包括如下步骤：
在CO2浓度观测网中，检测NDIR分析仪是否产生漂移，若NDIR分析仪产生漂移，则校准产生漂移的NDIR分析仪的历史观测数据，并校准NDIR分析仪或更换NDIR分析仪，实现数据质量控制；
所述检测NDIR分析仪是否产生漂移，包括：
校准CRDS分析仪，获取NDIR分析仪与CRDS分析仪的读数并计算差值，或NDIR分析仪与其相邻站点NDIR分析仪读数并计算差值；
获取差值的滑动平均值，将滑动平均值减去上次NDIR分析仪校准后的差值作为累计偏差，若累计偏差超过指定阈值，则初步判定NDIR分析仪产生漂移；
对初步判定漂移的NDIR分析仪进行外场校准，获取校准后的NDIR分析仪的读数偏差，若读数偏差超过指定阈值，则确认产生漂移。
进一步地，所述校准CRDS分析仪，包括：
将CO2国家一级标准气体作为工作标气通入CRDS分析仪，获取测量值，将测量值与标称值对比，若不一致则判定CRDS分析仪存在漂移，基于不同浓度的工作标气校准CRDS分析仪：
；
其中，和/>表示校准前、校准后的CRDS分析仪读数；/>和表示接入较低浓度和较高浓度的CO2浓度标气时CRDS分析仪的实测值；/>和表示/>和/>与标气标称值的差值。
进一步地，所述校准NDIR分析仪包括实验室校准和外场校准，所述实验室校准包括：
NDIR分析仪校0；
调节CO2浓度至不同值，接入NDIR分析仪与CRDS分析仪，且在每个浓度值稳定至少10分钟，记录每个浓度值下NDIR分析仪与CRDS分析仪的读数；
基于NDIR分析仪与CRDS分析仪的读数获取灵敏度校准后的NDIR分析仪读数；
基于CO2浓度稳定时段灵敏度校准后的NDIR分析仪读数，筛选NDIR分析仪，用于进行外场校准。
进一步地，所述调节CO2浓度至不同值，包括
调节CO2的浓度分别至：300μmol·mol-1、400μmol·mol-1、500μmol·mol-1、600μmol·mol-1、800μmol·mol-1和1000μmol·mol-1。
进一步地，所述筛选NDIR分析仪，包括：
采用标准偏差计算NDIR分析仪精度，筛选出精度≤±5ppm的NDIR分析仪。
进一步地，所述外场校准包括：
在同一环境条件下，获取环境数据，以及NDIR分析仪的CO2浓度读数和光腔温度、CRDS分析仪的CO2浓度读数；
基于NDIR分析仪的CO2浓度读数和光腔温度、CRDS分析仪的CO2浓度读数、环境数据，获取NDIR分析仪的环境校正参数，完成外场校准。
进一步地，所述环境数据包括：
空气温度、空气湿度和大气压。
进一步地，所述基于NDIR分析仪与CRDS分析仪的读数获取灵敏度校准后的NDIR分析仪读数，包括：
基于NDIR分析仪与CRDS分析仪的读数构建灵敏度校准方程，将NDIR分析仪的原始读数输入灵敏度校准方程，获取灵敏度校准后的NDIR分析仪读数；
所述灵敏度校准方程包括：
y=kx+b；
其中，x为NDIR分析仪的读数；y为CRDS分析仪的读数；k为灵敏度校正值，b为基线校正值。
进一步地，所述获取NDIR分析仪的环境校正参数，完成外场校准包括：
以NDIR分析仪的CO2浓度读数和光腔温度，以及空气温度、空气湿度、大气压为输入，以CRDS分析仪的CO2浓度读数为输出，根据校准效果构建校准方程，再将待校准的NDIR分析仪的原始读数代入校准方程，获取校准后NDIR分析仪的读数。
本发明所达到的有益效果：
本发明提供适用于大气二氧化碳浓度高密度观测的数据质量控制方法，在地表大气CO2浓度高密度观测网中，校准CRDS分析仪，作为NDIR分析仪的校准基准对NDIR分析仪进行校准，可以控制NDIR分析仪的观测误差，保障仪器观测数据的可靠性。
附图说明
图1是校准装置的原理图；
图2是外场校准示意图；
图3是馒头山站数据质量监控的异常情形示图（表现在滑动平均值出现突变，其中空心点表示NDIR分析仪与CRDS分析仪读数的差值，实线表示该差值的滑动平均值）；
图4是武林站数据质量监控的异常情形示图（表现在滑动平均值呈现趋势性增加，其中空心点表示NDIR分析仪与CRDS分析仪读数的差值，实线表示该差值的滑动平均值）；
图5是本发明实施例提供的适用于大气二氧化碳浓度高密度观测的数据质量控制方法的流程图。
实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明的实施例提供适用于大气二氧化碳浓度高密度观测的数据质量控制方法，在地表大气CO2浓度高密度观测网中，校准CRDS分析仪，作为NDIR分析仪的校准基准对NDIR分析仪进行校准，可以控制NDIR分析仪的观测误差，保障仪器观测数据的可靠性。
本发明提供适用于大气二氧化碳浓度高密度观测的数据质量控制方法，如图5所示，具体包括如下步骤：
步骤1：定期校准CRDS分析仪：
在CO2浓度观测网中，定期校准CRDS分析仪，保证CRDS分析仪处于正常工作状态，以便作为基准，实时跟踪监测NDIR分析仪工作环境的CO2浓度，利用CRDS分析仪的实测值对NDIR分析仪的运行状态进行评估：
在校准CRDS分析仪时，以CO2国家一级标准气体作为工作标气，定期将工作标气接入CRDS分析仪，对比工作标气的标称值与CRDS分析仪的实测值，评估CRDS分析仪的运行状态，如果CRDS分析仪的实测值与工作标气的标称值不一致，则CRDS分析仪存在漂移，需要利用两个浓度的工作标气基于（1）式对CRDS分析仪进行校准：
（1）
其中，和/>表示校准前、校准后的CRDS分析仪读数；/>和表示接入较低浓度和较高浓度的CO2浓度标气时CRDS分析仪的实测值；/>和表示/>和/>与标气标称值的差值。
步骤2：检测NDIR分析仪是否产生漂移：
当某一站点NDIR分析仪与CRDS分析仪或者周围相邻站点NDIR分析仪的差值出现趋势性的增加或减小或者突变的跳跃（如图3和图4所示）时，初步判断该仪器的数据质量出现问题，带回实验室后进行实验室校准和外场校准，最终确认仪器是否存在读数漂移。
2.1：以校准后的CRDS分析仪读数（）作为基准，实时跟踪监测NDIR分析仪工作环境的CO2浓度，将观测网中的NDIR分析仪与CRDS分析仪的读数进行时间匹配；
2.1.1：对所有数据进行清洗，剔除读数明显偏离其余读数的异常观测数据。
2.2.2：剔除20%高浓度数据和10%低浓度数据，将NDIR分析仪与CRDS分析仪的读数做差，并求取滑动平均值（如图3和图4所示，为馒头山站和武林站出现异常时，其差值和滑动平均值的视图），将滑动平均值减去上次NDIR分析仪校准后的差值作为累计偏差，若累计偏差超过指定阈值，则初步判定NDIR分析仪产生漂移；
在计算滑动平均值时，首选NDIR分析仪与CRDS分析仪的读数做差，但若在CO2浓度观测网中不存在CRDS分析仪，也可选取相邻站点的NDIR分析仪的读数与本站点的NDIR分析仪的读数进行做差。
2.2：对初步判定漂移的NDIR分析仪进行外场校准，获取校准后的NDIR分析仪的读数偏差，若读数偏差超过指定阈值，则确认产生漂移；
如图2所示，在进行外场校准时：
2.2.1：在同一环境条件下，将NDIR分析仪和CRDS分析仪进行对比观测，获取空气温度、空气湿度、大气压、CRDS分析仪的CO2浓度读数，以及NDIR分析仪的CO2浓度读数和光腔温度。
2.2.2：对所有数据进行质量控制，剔除读数明显偏离其余读数的异常观测数据。
2.2.3：以NDIR分析仪的CO2浓度读数和光腔温度以及空气温度、空气湿度、大气压等为x，以CRDS分析仪的CO2浓度读数为y，根据校准效果选择最优的校准方程，再将NDIR分析仪的原始读数代入该方程，得到的y校准了环境变化导致的NDIR分析仪的读数偏差。
步骤3：校准产生漂移的NDIR分析仪的历史观测数据，保证历史数据的数据质量。
步骤4：校准NDIR分析仪，保证后续数据的数据质量：
4.1：实验室校准：
在校准NDIR分析仪时，需进行实验室和场外两次校准，首先进行实验室校准，将NDIR分析仪进行校0，筛选出精度合格的产品；
在进行实验室校准时，在温度、湿度和大气压相对稳定的实验室内进行，利用自行研发的校准装置（如图1）进行。该装置利用钠石灰、高纯CO2和N2气体调节校准装置内CO2浓度，由CRDS分析仪实时跟踪校准装置内的CO2浓度，校准步骤主要包括：
4.1.1：降低校准装置内的CO2浓度，当浓度接近0μmol·mol-1时，点击NDIR分析仪的校0按钮，使得NDIR分析仪的读数归0。
4.1.2：注入高纯CO2气体，调节校准装置内的CO2浓度至300μmol·mol-1左右，将CO2浓度稳定10 min以上，记录NDIR分析仪与CRDS分析仪的读数；
4.1.3：重复4.2，依次将CO2浓度调整至400μmol·mol-1、500μmol·mol-1、600μmol·mol-1、800μmol·mol-1、1000μmol·mol-1，每个浓度水平上，将CO2浓度稳定10 min以上，记录NDIR分析仪与CRDS分析仪的读数；
4.1.4：对NDIR分析仪与CRDS分析仪的读数进行质量控制，剔除读数明显偏离其余读数的异常观测数据；
4.1.5：以NDIR分析仪的读数为x，以CRDS分析仪的读数为y，建立一元线性方程y=kx+b，再将NDIR分析仪的原始读数代入该方程，得到的y即为灵敏度校准后的NDIR分析仪读数；
4.1.6：提取上述CO2浓度稳定时段的数据，分析灵敏度校准后的NDIR分析仪数据，由标准偏差判断NDIR分析仪精度，筛选出精度≤±5ppm的NDIR分析仪作为合格产品。
4.2：场外校准：
对实验室校准筛选出合格的NDIR分析仪，进一步进行外场校准，外场校准需要选择通风开阔且附近没有CO2排放源的室外进行，如图2所示，具体步骤见2.2.1-2.2.3。
本领域内的技术人应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.适用于大气二氧化碳浓度高密度观测的数据质量控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
在CO2浓度观测网中，检测NDIR分析仪是否产生漂移，若NDIR分析仪产生漂移，则校准产生漂移的NDIR分析仪的历史观测数据，并校准NDIR分析仪或更换NDIR分析仪，实现数据质量控制；
所述检测NDIR分析仪是否产生漂移，包括：
校准CRDS分析仪，获取NDIR分析仪与CRDS分析仪的读数并计算差值，或NDIR分析仪与其相邻站点NDIR分析仪读数并计算差值；
获取差值的滑动平均值，将滑动平均值减去上次NDIR分析仪校准后的差值作为累计偏差，若累计偏差超过指定阈值，则初步判定NDIR分析仪产生漂移；
对初步判定漂移的NDIR分析仪进行外场校准，获取校准后的NDIR分析仪的读数偏差，若读数偏差超过指定阈值，则确认产生漂移。
2.根据权利要求1所述的适用于大气二氧化碳浓度高密度观测的数据质量控制方法，其特征在于：
所述校准CRDS分析仪，包括：
将CO2国家一级标准气体作为工作标气通入CRDS分析仪，获取测量值，将测量值与标称值对比，若不一致则判定CRDS分析仪存在漂移，基于不同浓度的工作标气校准CRDS分析仪：
；
其中，和/>表示校准前、校准后的CRDS分析仪读数；/>和/>表示接入较低浓度和较高浓度的CO2浓度标气时CRDS分析仪的实测值；/>和/>表示和/>与标气标称值的差值。
3.根据权利要求2所述的适用于大气二氧化碳浓度高密度观测的数据质量控制方法，其特征在于：
所述校准NDIR分析仪包括实验室校准和外场校准，所述实验室校准包括：
NDIR分析仪校0；
调节CO2浓度至不同值，接入NDIR分析仪与CRDS分析仪，且在每个浓度值稳定至少10分钟，记录每个浓度值下NDIR分析仪与CRDS分析仪的读数；
基于NDIR分析仪与CRDS分析仪的读数获取灵敏度校准后的NDIR分析仪读数；
基于CO2浓度稳定时段灵敏度校准后的NDIR分析仪读数，筛选NDIR分析仪，用于进行外场校准。
4.根据权利要求3所述的适用于大气二氧化碳浓度高密度观测的数据质量控制方法，其特征在于：
所述调节CO2浓度至不同值，包括：
调节CO2的浓度分别至：300μmol·mol-1、400μmol·mol-1、500μmol·mol-1、600μmol·mol-1、800μmol·mol-1和1000μmol·mol-1。
5.根据权利要求3所述的适用于大气二氧化碳浓度高密度观测的数据质量控制方法，其特征在于：
所述筛选NDIR分析仪，包括：
采用标准偏差计算NDIR分析仪精度，筛选出精度≤±5ppm的NDIR分析仪。
6.根据权利要求3所述的适用于大气二氧化碳浓度高密度观测的数据质量控制方法，其特征在于：
所述外场校准包括：
在同一环境条件下，获取环境数据，以及NDIR分析仪的CO2浓度读数和光腔温度、CRDS分析仪的CO2浓度读数；
基于NDIR分析仪的CO2浓度读数和光腔温度、CRDS分析仪的CO2浓度读数、环境数据，获取NDIR分析仪的环境校正参数，完成外场校准。
7.根据权利要求6所述的适用于大气二氧化碳浓度高密度观测的数据质量控制方法，其特征在于：
所述环境数据包括：
空气温度、空气湿度和大气压。
8.根据权利要求3所述的适用于大气二氧化碳浓度高密度观测的数据质量控制方法，其特征在于：
所述基于NDIR分析仪与CRDS分析仪的读数获取灵敏度校准后的NDIR分析仪读数，包括：
基于NDIR分析仪与CRDS分析仪的读数构建灵敏度校准方程，将NDIR分析仪的原始读数输入灵敏度校准方程，获取灵敏度校准后的NDIR分析仪读数；
所述灵敏度校准方程包括：
y=kx+b；
其中，x为NDIR分析仪的读数；y为CRDS分析仪的读数；k为灵敏度校正值，b为基线校正值。
9.根据权利要求7所述的适用于大气二氧化碳浓度高密度观测的数据质量控制方法，其特征在于：
所述获取NDIR分析仪的环境校正参数，完成外场校准包括：
以NDIR分析仪的CO2浓度读数和光腔温度，以及空气温度、空气湿度、大气压为输入，以CRDS分析仪的CO2浓度读数为输出，根据校准效果构建校准方程，再将待校准的NDIR分析仪的原始读数代入校准方程，获取校准后NDIR分析仪的读数。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310542722.9A CN116519887A (zh) | 2023-05-15 | 2023-05-15 | 适用于大气二氧化碳浓度高密度观测的数据质量控制方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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Family Applications (1)
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