基于二氧化碳通量監(jiān)測的低碳城市研究進(jìn)展與思考＊

趙 俊，王 迪，付士磊

（沈陽建筑大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院，遼寧 沈陽 110016）

0 引言

氣候變暖已經(jīng)成為一個(gè)不爭的事實(shí)并導(dǎo)致了一系列的社會(huì)和環(huán)境問題，對全球的可持續(xù)發(fā)展造成了一系列負(fù)面影響。除自然因素外，許多研究結(jié)果表明，全球氣候變暖的主要原因是人類活動(dòng)能源消耗產(chǎn)生的CO2排放量過大。作為人類社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、文化的活動(dòng)中心，城市雖然僅占地球陸地表面的3%，但其二氧化碳排放量卻占全球排放總量的71%。國際能源署預(yù)測，隨著全球城市化進(jìn)程的加快，到2030年，城市二氧化碳排放量占全球二氧化碳排放總量的比例將達(dá)到76%。

因此，如何采取合理的措施有效減少溫室氣體排放，是研究者和決策者面臨的重要議題。本文以二氧化碳通量監(jiān)測的視角總結(jié)了國內(nèi)外碳通量監(jiān)測技術(shù)尤其是渦度相關(guān)技術(shù)在低碳城市規(guī)劃方面的研究，對低碳城市規(guī)劃的國際研究經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行梳理，并對我國低碳城市的發(fā)展規(guī)劃提出建議。

1 低碳城市發(fā)展背景

1.1 緣起

當(dāng)前，氣候變化問題已成為國際社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，氣候變化是一個(gè)全球性的問題，關(guān)系到全世界的利益。2015年12月，聯(lián)合國氣候變化會(huì)議在巴黎舉行，會(huì)議設(shè)定了全球升溫不超過工業(yè)革命前2℃的目標(biāo)[1]。在這種背景下，低碳發(fā)展模式逐漸形成。低碳發(fā)展理念提出了一種低能耗、低污染、高能效的可持續(xù)發(fā)展新模式，以減少碳排放，應(yīng)對全球氣候挑戰(zhàn)。

城市作為行政管理的基本單位，是人類生產(chǎn)和生活的中心，也是溫室氣體的排放主體。故城市環(huán)境的治理和監(jiān)測一直以來受到廣泛關(guān)注，被視為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、解決氣候變暖問題的關(guān)鍵[2]。由此低碳城市的概念逐漸成為城市發(fā)展中的熱門話題。

1.2 發(fā)展

近年來，經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展、人口數(shù)量的大幅增長、城市化速度的顯著提高導(dǎo)致我國對能源的需求和對煤炭的依賴與日俱增，成為世界上最大的能源消耗國和碳排放國。目前，我國城市地區(qū)一次能源消耗量占全國消耗總量的84%，其中以煤炭為主的能源消耗占70%[3]。

為應(yīng)對氣候變化，低碳城市等相關(guān)概念被提出。我國通過國際承諾和地方行動(dòng)確立了具體的溫室氣體減排目標(biāo)，同時(shí)也增強(qiáng)了減排意識(shí)。從2020年9月的第75屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論到2020年12月舉行的氣候雄心峰會(huì)，我國多次表示，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”，要求政府、企業(yè)和個(gè)人都加入“碳補(bǔ)償”計(jì)劃。而實(shí)現(xiàn)“碳中和”的第一步就是對碳源的清查和對二氧化碳排放的量化，例如進(jìn)行碳足跡分析、碳排放測算等。故關(guān)注二氧化碳監(jiān)測技術(shù)手段及碳信息在城市規(guī)劃中的應(yīng)用是非常必要的。

2 低碳城市研究對象與研究方法

2.1 研究對象

城市中不同活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生不同類別的溫室氣體（見表1），其中二氧化碳的含量不斷增加是產(chǎn)生溫室效應(yīng)的主要原因。二氧化碳通量表示單位時(shí)間內(nèi)通過生態(tài)系統(tǒng)中某一生態(tài)斷面的二氧化碳總量，能反映出二氧化碳的流向。自然過程和人類活動(dòng)都會(huì)向大氣中排放二氧化碳，并且大氣中天然的二氧化碳通量一般大于人類活動(dòng)產(chǎn)生的二氧化碳通量，但對人類活動(dòng)排放的二氧化碳通量進(jìn)行研究依然重要，這是因?yàn)樽匀贿^程產(chǎn)生的二氧化碳是雙向流動(dòng)的，而人類活動(dòng)產(chǎn)生的二氧化碳只會(huì)向大氣單方向流動(dòng)。

表1 溫室氣體種類及來源

2.2 研究方法

目前對于二氧化碳的定量研究主要采用的是基于IPCC的估算法，這種方法是根據(jù)各種能源的消耗數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，對研究尺度而言存在一定局限性，無法應(yīng)用到碳匯研究中。對碳匯的估算研究以樣地清查法為主，其次是通過數(shù)學(xué)模型估算森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和碳儲(chǔ)量的模型模擬法，利用這兩種方法對二氧化碳進(jìn)行的估算均存在一定誤差，且普遍適用于較大尺度范圍的研究。而對二氧化碳排放量相對準(zhǔn)確、直接的監(jiān)測大多通過環(huán)境監(jiān)測站或手持二氧化碳監(jiān)測儀器完成，它們都能直接反映出空氣中二氧化碳的含量，但很難反映出二氧化碳排放的機(jī)制和影響因素，因此更多的監(jiān)測方法被廣泛應(yīng)用，以監(jiān)測二氧化碳通量的變化，從而將通量數(shù)據(jù)與不同的研究對象結(jié)合分析，深入了解二氧化碳的排放規(guī)律，有效指導(dǎo)低碳城市的規(guī)劃。

渦度相關(guān)技術(shù)是目前最為直接和標(biāo)準(zhǔn)的二氧化碳通量監(jiān)測技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳源碳匯的研究。渦度相關(guān)技術(shù)最早應(yīng)用在下墊面均一的自然生態(tài)系統(tǒng)，徐亞彬等[4]利用渦度相關(guān)技術(shù)觀測資料，分析了氣象要素對長白山森林生態(tài)系統(tǒng)二氧化碳通量的影響。隨著全球渦度相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，監(jiān)測范圍已經(jīng)從自然生態(tài)系統(tǒng)拓展到城市系統(tǒng)，監(jiān)測時(shí)間及方式也從以往的短期移動(dòng)監(jiān)測發(fā)展為長期系統(tǒng)監(jiān)測。

3 基于二氧化碳通量監(jiān)測的低碳城市研究現(xiàn)狀總結(jié)

雖然有關(guān)低碳城市的研究內(nèi)容眾多，但基于二氧化碳通量監(jiān)測的低碳城市研究大致總結(jié)為以下3個(gè)方面：①土地利用類型、地表下墊面情況與城市碳排放的關(guān)系；②城市碳排放的時(shí)空變化特點(diǎn)研究，驗(yàn)證人為活動(dòng)因素和自然因素與城市碳排放的相關(guān)性；③城市綠地通過碳吸收抵消碳排放能力的相關(guān)研究。

3.1 土地利用類型與城市碳排放的關(guān)系

城市碳排放狀況受監(jiān)測地表下墊面土地利用類型的影響，城市的不同區(qū)域碳通量也存在差異，城市中心區(qū)表現(xiàn)為碳源，城市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為碳匯，人口密度較高的中心區(qū)碳通量大于郊區(qū)[5]。因此，開展基于渦度相關(guān)技術(shù)的碳通量監(jiān)測活動(dòng)需要先獲取監(jiān)測范圍下墊面的詳細(xì)信息，包括鋪裝、道路、水體、建筑、綠地的情況以及主要二氧化碳排放源等。獲取城市地表關(guān)鍵形態(tài)參數(shù)有助于辨析觀測數(shù)據(jù)的空間代表性，同時(shí)便于確定研究區(qū)域碳循環(huán)過程、進(jìn)行環(huán)境和人為驅(qū)動(dòng)機(jī)制的探討。

ZHANG K D等[6]以上海師范大學(xué)奉賢校區(qū)與上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)奉賢校區(qū)為例，將建筑、道路、防水鋪裝等下墊面劃分為灰色基礎(chǔ)設(shè)施，將以植被為主的下墊面歸類為綠色基礎(chǔ)設(shè)施，將觀測區(qū)劃分為15m×15m的網(wǎng)格，在4個(gè)象限中選擇最能代表灰色基礎(chǔ)設(shè)施和綠色基礎(chǔ)設(shè)施的26個(gè)多邊形，根據(jù)它們在4個(gè)象限的碳貢獻(xiàn)量總結(jié)城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施對二氧化碳的多尺度效應(yīng)。

3.2 城市碳排放的時(shí)空變化特點(diǎn)

城市碳通量受地表下墊面情況影響的同時(shí)受時(shí)間和空間因素的影響。目前大多數(shù)研究將二氧化碳通量的時(shí)間變化結(jié)合土地利用類型、覆被分布特征進(jìn)行分析研究。竇軍霞等[7]利用北京市順義區(qū)氣象局氣象塔高度36m處的湍流觀測資料分析出研究區(qū)域內(nèi)二氧化碳通量的時(shí)間變化特點(diǎn)，且主要受供暖和植物光合作用的影響。在空間上，建筑密度越大，二氧化碳排放量越高，而植被覆蓋面積較大的地方碳排放值相對更小。

3.3 城市綠地抵消碳排放的能力

城市二氧化碳通量受自然因素和人類活動(dòng)因素的綜合影響。城市中心區(qū)的碳通量主要受日常交通、家庭生活、制冷供暖等人類活動(dòng)因素的影響，也受自然因素的影響，但影響不大。關(guān)于自然因素對城市碳通量的影響，主要包括植被光合作用和植被、土壤的呼吸作用等。

有關(guān)研究表明，就佛羅倫薩而言，郊區(qū)綠地可抵消6.2%的直接碳排放，而在人口密集的城市中，綠地只抵消了1.1%的碳排放，抵消城市所有碳排放需要大約880km2的天然森林，相當(dāng)于城市表面積的8倍。從碳平衡的角度來看，實(shí)施減少二氧化碳排放的措施可能會(huì)帶來更好的效果，而不是通過增加城市綠地來平衡二氧化碳的排放。

4 低碳城市規(guī)劃的思考

4.1 加強(qiáng)城市二氧化碳變化機(jī)理與模型構(gòu)建研究

從低碳城市研究領(lǐng)域來看，主要涉及低碳經(jīng)濟(jì)、低碳管理、低碳技術(shù)、生態(tài)碳匯等方面，交叉了經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會(huì)學(xué)、生態(tài)學(xué)等多個(gè)學(xué)科。事實(shí)上，不僅僅上文所述的植物光合作用有固碳作用，水體、建筑外墻等都有不同程度的碳吸收作用，因?yàn)槠渥饔梦⑷?，所以大多研究將它們忽略掉了?？紤]到城市在地表和大氣之間二氧化碳循環(huán)的復(fù)雜性，應(yīng)從整體出發(fā)構(gòu)建城市二氧化碳循環(huán)模型，探究各個(gè)組分的變異特征和控制機(jī)理。

4.2 提升復(fù)雜城市環(huán)境下渦度相關(guān)技術(shù)通量監(jiān)測方法

低碳城市的定量研究能向人們直觀地展示城市碳排放的時(shí)空特性，因此，二氧化碳監(jiān)測技術(shù)維度的拓展就顯得尤為重要。基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的估算方法適用于宏觀層面的低碳發(fā)展戰(zhàn)略分析，而渦度相關(guān)技術(shù)是目前最標(biāo)準(zhǔn)的碳通量觀測技術(shù)，適用于中觀、微觀尺度的分析，能夠豐富城市空間與碳排放相關(guān)性的研究內(nèi)容。同時(shí)渦度相關(guān)技術(shù)也存在一些待于突破的難題：首先是由于城市下墊面的高度異質(zhì)性，很難找到理想的觀測站點(diǎn)，同時(shí)需要加強(qiáng)城市碳通量觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制，提升數(shù)據(jù)校正與缺失數(shù)據(jù)插補(bǔ)等技術(shù)方法。其次，將單點(diǎn)觀測結(jié)果向城市尺度外推時(shí)有一定困難，應(yīng)結(jié)合空間技術(shù)與模型手段開展城市區(qū)域尺度的碳循環(huán)研究。另外，渦度相關(guān)技術(shù)是一種局地尺度的觀測方法，其觀測結(jié)果只能代表特定環(huán)境、特定時(shí)期的特征，而不同發(fā)展階段、不同職能的城市碳排放特征差異較大，今后應(yīng)在不同類型和不同發(fā)展水平的城市開展長期的二氧化碳通量監(jiān)測活動(dòng)并進(jìn)行對比研究。

5 結(jié)語

高質(zhì)量發(fā)展背景下，我國城市發(fā)展面臨重要轉(zhuǎn)型。盡管目前已經(jīng)有許多關(guān)于城市二氧化碳通量的研究，但與城市規(guī)劃空間理論結(jié)合的較為少見，應(yīng)將不同學(xué)科的二氧化碳通量監(jiān)測技術(shù)與分析方法互通共融，使低碳城市規(guī)劃知識(shí)體系更加完備。隨著“碳達(dá)峰”“碳中和”理念的提出，開展科學(xué)計(jì)量，準(zhǔn)確掌握城市二氧化碳排放量、排放結(jié)構(gòu)、排放特征成為低碳城市研究的一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)。本文從二氧化碳通量監(jiān)測的角度出發(fā)，梳理了近年來國內(nèi)外低碳城市規(guī)劃研究內(nèi)容與技術(shù)手段的進(jìn)展，并對低碳城市規(guī)劃提出加強(qiáng)城市二氧化碳變化機(jī)理與模型構(gòu)建研究、提升復(fù)雜城市環(huán)境下渦度相關(guān)技術(shù)通量監(jiān)測方法兩方面建議。