關于城市碳通量監(jiān)測體系建立的思路

＊陳波 張曉旭 王好 陳勇

（四川省成都生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站 四川 610024）

前言

在工業(yè)革命之后，由于人類生活及工業(yè)生產活動的加劇，打破了大氣圈原有的碳平衡，同時引起了一系列的全球氣候問題。氣象組織統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，2018年全球平均氣溫較1981年-2010年平均氣溫升高了0.38℃，比工業(yè)革命前水平高出了約1.0℃，全球變暖這一觀點正被證實[1]。同時，人類已品嘗到全球變暖所帶來的惡果，冰川消融、海平面上升，導致部分沿海地區(qū)受海水侵蝕嚴重；高溫、雷暴、風暴、嚴寒等極端天氣頻現(xiàn)，威脅人類生命財產安全；高溫使心血管和呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)病率明顯上升，加速流行性疾病的傳播和擴散，直接威脅人類健康；氣候變化導致生態(tài)系統(tǒng)平衡遭受破壞，部分物種消亡[2]。

相關研究表明，人類生產及生活活動所產生的溫室氣體是全球變暖的主要誘因，其中CO2作為最重要的溫室氣體，其濃度由工業(yè)革命之前的280ppm左右激增至2020年12月份的414ppm，具體如圖1所示，如何減少CO2排放已成為當今世界各國面臨的首要環(huán)境問題[3]。在此背景下，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）提出了“碳中和”的CO2減排概念及要求，以實現(xiàn)CO2凈零排放的目的。截至目前，已有100多個國家和地區(qū)承諾碳中和，其中，我國作為全球10大煤電國家之一，也做出了于2030年前實現(xiàn)碳達峰，并努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和的承諾[4-6]，并在2020年中央經(jīng)濟工作會議上將其列為2021年要抓好的八項重點任務之一。

圖1 1960年至2016年全球大氣中CO2濃度及氣溫變化趨勢圖

城市生態(tài)系統(tǒng)碳通量是指單位時間內流經(jīng)某城市的CO2量，城市碳通量的監(jiān)測是實現(xiàn)“碳中和”的基礎工作，我國鼓勵有一定基礎的城市率先開展基于地面的大氣溫室氣體監(jiān)測以及城市碳排放量核算校驗方法研究。目前，通量監(jiān)測的主要方法包括渦度相關技術法、波文比對法、同位素技術以及空氣動力學法等，國際上通常采用渦度協(xié)方差技術測定城市的碳通量，是通過三維風速、氣體濃度和水分脈動的觀測來獲取CO2、熱量和水分的通量，其具有堅實且成熟的理論基礎、求算過程使用為具體測定數(shù)據(jù)，被作為是現(xiàn)階段唯一能夠直接測定生態(tài)系統(tǒng)通量的標準方法[7-10]。

1.城市溫室氣體及碳通量監(jiān)測現(xiàn)狀分析

目前，國內大部分城市未開展溫室氣體監(jiān)測，甚至部分大中型城市僅有溫室氣體國控點位，專業(yè)技術基礎薄弱。而開展溫室氣體監(jiān)測的城市其監(jiān)測點位大多與現(xiàn)有大氣自動監(jiān)測站點重合，監(jiān)測點位難以滿足碳通量監(jiān)測要求。另外，由于提出時間較短，多數(shù)監(jiān)測站未接觸渦度協(xié)方差技術模型，監(jiān)測人員未掌握碳通量的建模及運算過程。

(1)監(jiān)測基礎及能力薄弱

溫室氣體與碳通量監(jiān)測在國際上提出時間較早，但國內相關研究起步較晚，且由于政策方向影響，國內首先是由氣象部門開展了溫室氣體相關的基礎建設與監(jiān)測，現(xiàn)有溫室氣體監(jiān)測方法標準及體系多由氣象部門制訂，應用于環(huán)境監(jiān)測時需驗證方法及體系的適用性，環(huán)境監(jiān)測領域尚無相應標準體系。另外，部分沿海及發(fā)達城市的環(huán)境監(jiān)測部門，如北京、上海、深圳等[11]，雖于2017年左右開始進行溫室氣體及碳通量監(jiān)測站點的建設與運行，但尚未形成相應標準體系，同時由于城市發(fā)展程度差異等因素，國內大部分城市的環(huán)境監(jiān)測站尚未具備溫室氣體監(jiān)測能力。

(2)現(xiàn)有點位難以滿足要求

部分城市雖已經(jīng)完成溫室氣體監(jiān)測站點建設，并開展相關監(jiān)測，且已有一定基礎數(shù)據(jù)積累，但目前國家在建設碳通量監(jiān)測試點城市時，對溫室氣體監(jiān)測點位有了新的要求，規(guī)定以區(qū)分本地CO2排放和區(qū)域傳輸為目標，兼顧區(qū)分人為源和自然源，綜合考慮城市海陸特征、氣候條件、CO2大氣濃度空間分布等因素，開展溫室氣體監(jiān)測點位布設。同時城區(qū)點位在摸清區(qū)域CO2濃度后，在高值帶、中值帶和低值帶分別布設至少2個點位?，F(xiàn)有監(jiān)測點位可能不滿足新要求，需進一步建設更多點位或對現(xiàn)有點位進行改造。

另外，現(xiàn)有溫室氣體監(jiān)測點位多集中于CO2監(jiān)測，對《碳監(jiān)測評估試點工作方案》中規(guī)定監(jiān)測的其它溫室氣體，比如一氧化碳、甲烷、氧化亞氮、六氟化硫、三氟化氮、全氟碳化物及氫氟碳化合物等物質的監(jiān)測能力不足，不能滿足目前對溫室氣體監(jiān)測需求。

(3)監(jiān)測數(shù)據(jù)應用不足

目前，雖有一定量溫室氣體歷史數(shù)據(jù)，但對數(shù)據(jù)的發(fā)掘和進一步處理能力不足，導致很有價值的歷史數(shù)據(jù)被束之高閣。需進一步深入學習數(shù)據(jù)處理及應用方法，加強對溫室氣體及碳通量監(jiān)測數(shù)據(jù)的應用，發(fā)掘數(shù)據(jù)價值，同時為日后城市碳通量監(jiān)測打下堅實的技術基礎。

2.城市碳通量監(jiān)測體系建立工作思路

渦度相關技術（Eddy Covariance technique，EC）是目前國際上通用的直接測定地表-大氣間CO2通量的標準方法，也是目前國際上測量CO2通量的主要技術手段之一，全球有幾百個使用渦度相關技術測量CO2通量的點位。站點通量數(shù)據(jù)已被應用于遙感數(shù)據(jù)驗證、陸地生態(tài)系統(tǒng)碳源碳匯估算和相關模型參數(shù)研究等多個方面。并且，目前渦度相關技術已有應用于城市碳通量監(jiān)測，但具體的相關研究仍然不足。相對于自然生態(tài)系統(tǒng)，城市CO2循環(huán)包括了人為循環(huán)和自然循環(huán)，又分別涉及垂直方向和水平方向的碳交換，具體循環(huán)過程見圖2。

圖2 城市垂直方向上CO2交換理論圖

為減少垂直方向上CO2交換的影響，在依托渦度相關技術建立城市碳通量監(jiān)測體系時，需建立碳通量塔，其是利用微氣象學中氣體渦度協(xié)方差技術計算垂直方向上碳通量的塔狀監(jiān)測設備，目前多采用信號塔或氣象塔搭載溫室氣體監(jiān)測設備構成，其高度要求為50-100m。城市具體碳通量監(jiān)測方案如下：

(1)明確建立目的

在體系建立之前，我們應首先明確其建立目的，鑒于目前碳通量監(jiān)測現(xiàn)狀、國際碳排放形勢及未來發(fā)展需求，本文將成都碳通量監(jiān)測體系的建立目的歸納為以下三點：

①建立基于地面大氣中CO2濃度監(jiān)測的自上而下的城市碳通量核算方法，并以此為基礎闡明城市碳排放，為我國碳中和工作提供數(shù)據(jù)支撐；

②以碳通量監(jiān)測體系為支撐，進行碳排放源和碳匯的溯源工作，為未來碳交易市場的開展提供基礎；

③搭建可進行情景模擬的監(jiān)測平臺，為城市規(guī)劃提供技術支持。

(2)前期工作

前期工作的重點是碳通量塔的布設點位，其代表性、科學性、合理性直接決定了后期監(jiān)測數(shù)據(jù)是否可用。首先，建設之初應明確各監(jiān)測點位的類型和監(jiān)測目的，應包括高精度CO2與CH4監(jiān)測點位與中精度CO2與CH4監(jiān)測點位，14C同位素監(jiān)測點位，以及氧化亞氮、六氟化硫、三氟化氮、全氟碳化物與氫氟碳化合物的監(jiān)測點位等。

其中，按照儀器配備及性能可將點位分為高精度和普通點位，高精度點位監(jiān)測數(shù)據(jù)主要用于城市溫室氣體排放強度同化反演。普通點位監(jiān)測數(shù)據(jù)主要用于城市溫室氣體時空分布特征分析，并進一步探索基于不同精度點位監(jiān)測數(shù)據(jù)的城市溫室氣體排放強度同化反演方法。

點位設置應既能反映主要溫室氣體排放空間分布特征，又能滿足碳排放量反演的需要。應覆蓋城市CO2低、中、高濃度值區(qū)，同時在城市主導風向和次主導風向的上風向、下風向各布設1個點位，形成基于環(huán)繞城市沿主導風上下游對稱的監(jiān)測點位。若城市建設條件不允許，應先行建立主導風向上下風向點位與背景點位，并分批次完成其余城市點位建設，逐步完善城市碳監(jiān)測網(wǎng)絡建設。同時應盡量確保站點布設均勻，監(jiān)測網(wǎng)絡過于緊湊會導致空間覆蓋率降低，過于分散則會導致反常結果的不確定性，監(jiān)測點位選址應以區(qū)分本地排放與區(qū)域傳輸為目標，兼顧區(qū)分人為源和自然源。

(3)中期工作

中期工作的主要內容包括通量塔搭建、監(jiān)測指標確定、儀器購置及安裝調試、數(shù)據(jù)質量控制及溯源及運行出數(shù)等工作。首先，城市碳通量監(jiān)測所必要的指標包括CO2濃度、甲烷濃度、氣象數(shù)據(jù)（包括水平風速[x軸]、水平風速[y軸]、垂向風速、溫度、濕度、入射太陽輻射、大氣壓力、大氣密度、降水量等），同時兼顧未來發(fā)展需求，可增加至少一套氧化亞氮（N2O），氫氟化碳（HFCs），全氟化碳（PFCs）和六氟化硫（SF6）、三氟化氮（NF3）及碳同位素（13CO2）的監(jiān)測設備。其次，應確定采樣頻次，其中CO2、CH4、CO、氣象參數(shù)等項目采用每日24h連續(xù)監(jiān)測方式；碳同位素（14CO2）采用手工監(jiān)測方式，每周采樣一次；在站點最高采樣高度開展N2O、HFCs、PFCs、SF6、NF3、碳同位素（13CO2）的手工監(jiān)測，每月采樣一次；視情況選取1-2個城區(qū)站點設置邊界層高度、風速的垂直廓線連續(xù)監(jiān)測項目。

在確定監(jiān)測指標后，需進行儀器設備的選購，亦可申請廠家試用，以比對各儀器性能指標，隨后進行正常的儀器安裝調試，并運行出數(shù)。在運行階段，為保證數(shù)據(jù)質量，應根據(jù)試點工作對數(shù)據(jù)質量的要求，參考WMO、ICOS和美國等組織和地區(qū)對溫室氣體監(jiān)測的數(shù)據(jù)質量要求，提出質量控制目標和量值溯源要求，有條件的城市可增設實時的在線校準，以及時修正儀器漂移，確保數(shù)據(jù)的準確性、可靠性。同時為保障試點監(jiān)測數(shù)據(jù)與BIPM、WMO等國際基準/標尺等效可比，CO2/CH4/CO/N2O等主要溫室氣體試點監(jiān)測項目應量值溯源至中國環(huán)境監(jiān)測總站和中國計量科學院共同研制的基準氣體。其他配套氣象監(jiān)測儀器等應溯源至相關計量基準/標準。

(4)碳通量反演方法研究

各城市可通過與高校、科研院所和企業(yè)開展聯(lián)合研究，基于高頻次、高精度的CO2和14C樣品數(shù)據(jù)，利用嵌套式高分辨率碳同化反演模式系統(tǒng)，對CO2排放水平和變化趨勢進行反演，同時根據(jù)反演結果校準自下而上的碳排放清單，核算CO2排放量模擬結果，建立碳排放模擬的業(yè)務化流程方法。

開展城市碳通量反演，應具備連續(xù)1年以上、至少4個點位的城市CO2濃度觀測資料與陸表碳通量數(shù)據(jù)，同時反演水平分辨率應不低于5km網(wǎng)格，城市建成區(qū)可嘗試開展水平分辨率為1km網(wǎng)格，時間分辨率為小時的反演研究。反演初始碳排放量應以國際公認的全球和區(qū)域溫室氣體排放清單為基礎（如EDGAR、MEIC、ODIAC等），融合城市監(jiān)測獲取的城市高分辨率溫室氣體排放清單和陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量，兩者的分辨率應一致。反演方法應具多尺度嵌套的碳模擬能力，使用全球和區(qū)域模擬為城市尺度模擬提供動態(tài)溫室氣體濃度和氣象要素信息。最終建立CO2排放源高分辨清單，通過高分辨反演模型，測算城市CO2通量，同時建立城市碳源及碳匯物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)CO2的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理，為碳中和提供數(shù)據(jù)支撐。

3.結語

目前，國內碳通量監(jiān)測系統(tǒng)多由科研、氣象等機構自主建設，而環(huán)境監(jiān)測體系中完整的碳通量監(jiān)測體系較少，碳通量監(jiān)測水平不高，環(huán)境管理部門對城市碳源及碳匯了解不充分。建成一套完整的城市碳通量監(jiān)測體系，對生態(tài)環(huán)境保護是具劃時代意義的，能夠有效揭示城市生態(tài)系統(tǒng)碳源碳匯。隨著國內外對碳排放關注程度日益提高，現(xiàn)在建立城市碳通量監(jiān)測體系，測算城市碳通量，不僅是實現(xiàn)“碳中和”的重要途徑，也能夠提升我國在全球氣候變化國際會議中的話語權。因此，建設碳通量監(jiān)測體系，建立“自上而下”的碳同化業(yè)務運行系統(tǒng)，支撐全國碳排放計算結果的測量、報告、核查，開展碳中和有效性及潛力的評估工作，是十分必要的。