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胡鹤鸣;王池;张金涛
【摘 要】城市聚集了世界50％的人口和70％以上的碳排放,然而,每个城市的碳排放不确定度很大,50％～100％的数据误差是很常见的.对温室气体浓度的时空分布特征及碳排放测量反演的基本思路进行了介绍.目前美国国家标准与技术研究院(NIST)正在资助开展若干个城市/城市碳排放测量试点项目,利用自上而下的方法,基于温室气体浓度测量和精确的城市尺度大气输移扩散模式,反演推算城市区域的碳排放通量.对NIST正在开展的研究进行了综述,并对中国计量科学研究院未来在该领域的工作进行了展望. 【期刊名称】《计量学报》
【年(卷),期】2017(038)001
【总页数】6页(P7-12)
【关键词】计量学;城市碳排放;温室气体;浓度;大气模式;反演模型
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【作 者】胡鹤鸣;王池;张金涛
【作者单位】泡钉中国计量科学研究院,北京100029;中国计量科学研究院,北京100029;中国计量科学研究院,北京100029
【正文语种】中 文
【中图分类】TB94;TB99
根据政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告[1]，过去的130年间人类的活动，特别是使用煤、石油等化石燃料导致的温室气体排放的增加，是20世纪中期以来全球气候变暖的主要原因。为了统一各国温室气体排放量的报告，IPCC提供了国家温室气体清单指南[2]，并为其中各个参数和排放因子提供了默认值，供各国编制温室气体排放清单参考。然而，由于排放因子等参数存在较大的不确定度，燃料端统计等手段获得的国家碳排放数据存在较大的不确定度，如刘竹等2015年发表在《Nature》上的文章[3]称，我国煤炭排放因子比国际上的默认值要低大约40%，造成我国碳排放总量被大大高估。簧网
人为排放会造成大气中温室气体浓度(所占的体积比)上升，通过观测大气中的温室气体浓
度变化可以反推碳排放量。此方法的核心是基于温室气体浓度数据和大气边界层内气象数据，利用大气扩散传输模式和统计学模型，来反演一定范围内的碳排放通量。针对不同的需求，国内外相关机构开展了全球、区域以及城市等不同尺度范围内碳排放通量测量反演的研究工作。
世界上50%的人口和70%以上的温室气体排放均集中在城市区域。由于缺乏有效的测量方法，准确评估一个城市的碳排放量很困难。温室气体排放清单中每个城市的排放量的不确定度很大，50%～100%的测量误差是很常见的。目前，美国和欧洲部分大城市正在开始城市范围的碳排放测量反演研究，通过监测温室气体的浓度，对统计获得的碳排放清单进行修正或者生成独立的碳排放通量。
近地面大气中温室气体浓度直接受到局地排放源(或汇)和大气输运作用的影响，其时空分布变化特征包含了碳源、碳汇以及大气水平、垂直输运的演变信息。人类大部分活动几乎均处在大气边界层内，其造成的温室气体排放首先影响大气边界层中的浓度水平，进而通过大气的垂直输运(包括对流输运和湍流垂直混合)，经由边界层进入对流层乃至平流层，同时在大气水平输移的作用下影响到整个大气圈中温室气体的浓度变化。
目前全球对大气温室气体浓度的观测集中在对流层中，主要采样和观测方式有：(1) 瓶装采样；(2) 地面在线观测(包括高塔)；(3) 船舶航海观测；(4)航空观测(包括飞机、探空气球、飞艇等)。国际上很多合作组织负责运行和维护着多个观测项目计划，如美国国家海洋和大气管理局(NOAA)运行的Globalview项目[4]，在多个国际实验室测量得到的CO2、CH4和CO浓度数据(包括地面、船舶、飞机等不同载体的观测数据)的基础上，经过同化、时间拟合等数据处理后得到一个全球范围的统一数据集，成为碳循环模拟研究常用的重要工具。
图1显示的是全球不同纬度CO2浓度分布的年际变化[4]，X轴为2000年到2009年，Y轴为纬度。可以非常清晰地看到，北半球比南半球CO2浓度要高，冬季比夏季浓度要高；北半球的峰谷变化要远大于南半球，差异主要在于峰值浓度，谷值浓度则差异不大，体现了CO2从北半球到南半球的输移过程。
图2为某城市郊区测点利用系缆气球测量的CO2浓度垂直分布特征[5]，可以说明大气对CO2垂直输运扩散的能力。由图可以看出，由于日间大气垂直方向的掺混比较均匀，所以CO2浓度垂直分布也比较均匀；夜间大气比较稳定，所以地面附近CO2浓度明显增大。
任何反演问题均是建立在正演问题基础之上。碳排放的正演问题为：在大气参数(风速、湍
流度等)的驱动下，浓度测点附近已知的碳排放通量向测点位置输运，可以利用大气扩散模式计算测点浓度的时间序列。反演问题则为：实测若干点的浓度时间序列，结合已知的大气参数变化，反推一定区域内碳排放的通量分布和大小。反演问题的主要困难在于有限的测点数量，导致反演结果的不唯一性。因此在求解反演问题时，要根据已有资料，尽量多地引入先验信息、附加约束条件，以减少解的不确定性。
碳排放通量ej与测点浓度ci之间的关系可以表达为
式中：Tij为碳排放通量对测点浓度的贡献率，单位为；B为背景浓度。测点浓度ci与背景浓度B的差异可以认为是排放所导致，背景浓度需要进行仔细地测量与模化。
探针卡碳排放反演首先需要利用大气动力学模式计算一定空间分辨率的大气参数变化过程，模式输入条件包括物理模型的选择及其参数、地形及土地利用类型数据、气象初始/边界条件、气象观测同化数据等。然后在大气参数的基础上，利用拉格朗日粒子扩散模型，计算各测点附近不同时刻不同位置通量的贡献率。最后再引入测点测到的浓度数据，与先验的统计方法得到的碳排放通量，利用统计学优化模型(比如Bayesian模型等)，在两者的误差协方差估计条件下计算后验的碳排放通量及其不确定度。在浓度测点有限的条件下，相当于对
先验通量进行修正，因此，很难脱离先验通量直接准确地得到独立的碳排放通量。碳排放测量反演技术框图见图3。
美国国家标准与技术研究院(NIST)资助了若干城市测试平台，开发新的测量技术和数据分析技术，监测城市的碳排放量并确定其来源。每个城市的碳浓度测量网络均产生海量数据，这些数据可以揭示城市碳排放方式的细节，也可以用来验证温室气体排放反演方法的有效性。
4.1 印第安那波利斯实验项目(INFLUX)
INFLUX以印第安那波利斯为实验城市，研究自上而下的城市温室气体排放量测量的新方法，评估其准确度水平，并与自下而上的方法比较、优化，实现两者之间的一致性。印第安那波利斯为内陆城市，地形平坦，气象条件简单，而且周围没有其他大城市影响背景浓度，作为第一个试点城市实施起来相对比较容易。日志审计
4.2 洛杉矶特大城市项目(LA Megacity)
洛杉矶靠海环山，地形和气象条件远比印第安纳波利斯复杂，为复杂条件下的大气扩散模
型和数据反演提供了测试条件，并成为多种测量方式(包括碳卫星、激光雷达等)的实验平台。
4.3 东北走廊地带实验项目(Northeast Corridor Test Bed)
东北走廊地带地形和气象条件的复杂度在以上两者的中间程度，但由城市扩展到城市带。其特在于利用高精度浓度测点和低成本浓度测点结合组网的方式，反演推算碳排放通量的位置和大小。目前工作集中在华盛顿及巴尔的摩地区，未来会扩展到包含费城、纽约、波士顿等城市的美国东北部走廊地带。
这些测试平台中主要利用了基于固定测点(主要是测量塔)的测量反演方法，也辅以基于移动测点(车载平台和机载平台等)的通量计算分析方法。
5.1 高分辨率碳排放统计数据库(Hestia)
为了更清晰地掌握城市区域碳排放的来源和动态变化，美国亚利桑那州州立大学(ASU)与普渡大学在INFLUX项目的支持下共同开展了1项名为Hestia的研究[6]。他们利用自下而上的统计方法，对公共数据库(例如地方空气污染报告、电厂发电数据和车辆数据库等)进行
数据挖掘，操作交通状况的模拟运算，并对每栋建筑物的能源利用情况建模，建立了不同来源的碳排放模型；可以显示某个街区甚至某个建筑物每小时的碳排放通量动态结果，用立体化显示方式描绘整个城市中的碳排放情况，并标识出碳排放的具体地点、时间及产生原因。Hestia展示的温室气体排放源的高分辨率地图中，可以跟踪温室气体排放情况，到减少排放量的最经济的方法，帮助政府制定最有效的温室气体排放规则。
Hestia已经在美国印第安纳波利斯市得到运用，图4给出了2002年全年该市的碳排放图景，不同颜代表不同的排放强度，排放强度最大的点为它的火电厂。Hestia数据的空间分辨率约为200 m，时间分辨率为1 h，而且划分为民居、商业建筑、工业生产、电力、机场、路面交通和非路面交通等多个排放来源，数据容量巨大，可以分析城市碳排放的规律和各种相关关系。
