大氣14CO2觀測(cè)：碳排放評(píng)估的新方法

牛振川 王鵬 吳書剛 周衛(wèi)健

1 中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710061 2 西安加速器質(zhì)譜中心 西安 710061

南極冰芯的記錄顯示，過去80萬(wàn)年以來大氣二氧化碳（CO2）濃度與溫度同步變化[1]。近代工業(yè)革命以來，大氣CO2濃度由之前的280 ppm①ppm指干空氣中每百萬(wàn)（106）個(gè)氣體分子所含的該種氣體分子數(shù)。增長(zhǎng)到2022 年的約417 ppm[2]，同期地表平均溫度增長(zhǎng)了約1.1oC[3]。由此，國(guó)際社會(huì)普遍認(rèn)為全球變暖是由于CO2等溫室氣體的排放造成的，并達(dá)成了減少溫室氣體排放以控制全球升溫的共識(shí)?！栋屠鑵f(xié)定》達(dá)成如下協(xié)議：全球溫度增長(zhǎng)不超過2oC并盡可能保持在1.5oC，到2050年大氣CO2濃度控制在450 ppm 以內(nèi)；各國(guó)以“自主貢獻(xiàn)”的方式參與全球應(yīng)對(duì)氣候變化行動(dòng)。碳排放權(quán)即生存權(quán)和發(fā)展權(quán)，我國(guó)作為碳排放大國(guó)，面臨碳達(dá)峰、碳中和（以下簡(jiǎn)稱“雙碳”）目標(biāo)任務(wù)和國(guó)際碳減排壓力。因此，準(zhǔn)確及時(shí)的碳排放數(shù)據(jù)對(duì)于評(píng)估和保障“雙碳”目標(biāo)和國(guó)際履約的實(shí)現(xiàn)非常重要。

1 碳排放評(píng)估的主要方法

1.1 “自下而上”的源清單?法

目前，各國(guó)碳排放的評(píng)估主要依賴于“自下而上”的源清單法，即通過各種化石能源的消耗量乘以相應(yīng)的排放因子得到碳排放總量，這也是目前比較普遍和簡(jiǎn)單的方法。然而，由此方法得到的碳排放量有不確定性（3%—15%）[4,5]，這跟各種燃料的排放因子和能源消耗量的不確定性有關(guān)，尤其是燃煤的排放因子，因煤種的不同而變化較大。例如，聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）推薦不同煤種的碳排放因子②文中煤的碳排放因子指的是每噸煤燃燒產(chǎn)生的碳排放量（噸碳/噸煤）。為0.322—0.711，有研究實(shí)測(cè)我國(guó)燃煤新的碳排放因子平均為0.499，使用此新排放因子計(jì)算則表明我國(guó)2000—2012 年累積的碳排放量會(huì)被高估約29 億噸碳[6]，這比我國(guó)陸地的碳匯總量還要高，這種較大的不確定性非常不利于我國(guó)碳排放數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確評(píng)估和國(guó)際履約。化石燃料消耗量的不確定性主要跟統(tǒng)計(jì)時(shí)有意和無(wú)意的誤差有關(guān)，并且在城市尺度上的碳排放數(shù)據(jù)不確定性更大（50%—200%）[7]，這跟城市統(tǒng)計(jì)資料的不全面和統(tǒng)計(jì)邊界難以界定有關(guān)。

1.2 “自上而下”的觀測(cè)與反演法

《巴黎協(xié)定》還建議利用可監(jiān)測(cè)、可報(bào)告、可核查的“三可”（MRV）方法體系，來監(jiān)測(cè)能源和化石燃料密集型國(guó)家的碳排放變化。IPCC在最新修訂的溫室氣體清單指南中，專門增加了校驗(yàn)碳排放清單的方法，即基于大氣CO2濃度觀測(cè)來“自上而下”地反演碳排放量；并指出大氣中含放射性碳同位素的二氧化碳（14CO2）觀測(cè)的加入可進(jìn)一步提高僅基于大氣CO2濃度反演結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)而更準(zhǔn)確地校驗(yàn)碳排放清單[8]。這種基于大氣CO2濃度觀測(cè)的反演是對(duì)“自下而上”源清單法的重要補(bǔ)充，可以獨(dú)立地校驗(yàn)碳排放清單，提高國(guó)家碳排放數(shù)據(jù)的可靠性。

大氣反演方法首先需要高精度的大氣CO2濃度信息。通常，大氣CO2濃度由地面站點(diǎn)觀測(cè)得到，其觀測(cè)的數(shù)據(jù)精度高（0.1 ppm）、時(shí)間連續(xù)，可定點(diǎn)長(zhǎng)期觀測(cè)；但站點(diǎn)有限且僅代表地面的觀測(cè)結(jié)果。近年來，隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，碳衛(wèi)星可以提供大范圍的CO2柱濃度信息，但觀測(cè)易受到軌道、云層和氣溶膠等因素的干擾，且精度低于地基觀測(cè)[9,10]。無(wú)論是地面站點(diǎn)還是衛(wèi)星遙感，其觀測(cè)值都是不同排放源混合的結(jié)果，并未識(shí)別來自化石源的貢獻(xiàn)量，這會(huì)使反演的碳排放量難以驗(yàn)證。

為什么大氣14CO2觀測(cè)可以提高反演碳排放數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性呢？這是因?yàn)槌Ｒ?guī)的大氣反演使用的是大氣CO2總濃度，并未使用來自化石源（占人為源的主要部分）貢獻(xiàn)量的CO2（CO2ff），由此反演的碳排放量無(wú)法與清單中的碳排放量（主要來自人為源）準(zhǔn)確匹配。放射性碳同位素（14C）是CO2ff最準(zhǔn)確的示蹤劑，其準(zhǔn)確性大幅優(yōu)于CO 和NO2等間接示蹤劑。14C的半衰期為5 730年，遠(yuǎn)小于化石燃料的形成時(shí)間，因而化石燃料中的14C 早已衰變耗竭，即化石燃料燃燒形成的CO2中不含14C；而生物源CO2（CO2bio）中的14C 水平與現(xiàn)代大氣14C 水平相接近； CO2ff和CO2bio的Δ14C 值差異約可達(dá)100%。碳同位素值在不同源之間的巨大差異使14C 成為分辨CO2ff最準(zhǔn)確的工具。通過觀測(cè)大氣14CO2值，可以定量獲得大氣CO2ff濃度，進(jìn)而用于直接驗(yàn)證由人為源清單反演得到CO2ff濃度，并降低反演碳排放量的不確定性。當(dāng)然，大氣14CO2作為一種新的觀測(cè)指標(biāo)，也存在技術(shù)門檻高、精度要求高（≤0.2%）和不能在線測(cè)量的問題。14C在自然界中的含量極低，約占碳元素的1.2×10–12，需要專門的、昂貴的加速器質(zhì)譜儀才能進(jìn)行高精度（0.2%）的測(cè)量。

總體而言，不同的碳排放評(píng)估方法各有優(yōu)勢(shì)和不足（表1）。目前，應(yīng)在已有的CO2濃度觀測(cè)的基礎(chǔ)上，盡快加入大氣14CO2這個(gè)新的觀測(cè)指標(biāo)，“自上而下”地反演碳排放量，從而驗(yàn)證碳排放清單，以此提高國(guó)家碳排放數(shù)據(jù)的可靠性。

2 大氣14CO2觀測(cè)的國(guó)際趨勢(shì)與動(dòng)態(tài)

2.1 大氣14CO2觀測(cè)的起源和發(fā)展

西方國(guó)家早在20 世紀(jì)50 年代就開始了大氣14CO2觀測(cè)，觀測(cè)的最初目的是研究大氣層核武器試驗(yàn)的影響。最早的大氣14CO2長(zhǎng)期觀測(cè)于1954 年在新西蘭惠靈頓地區(qū)開始[11]，隨后世界上的許多站點(diǎn)都開始了大氣14CO2的長(zhǎng)期觀測(cè)。觀測(cè)結(jié)果表明，由于大氣層核試驗(yàn)的影響使得大氣14CO2水平急劇增加，到1964 年達(dá)到峰值；由于1963年《部分禁止核試驗(yàn)條約》的簽訂，大氣14CO2在與海洋和陸地植被等碳庫(kù)的交換過程中，開始急劇下降。到20 世紀(jì)80 年代末和90 年代初，核爆的影響已經(jīng)較?。粴W洲開始利用大氣14CO2觀測(cè)來示蹤城市大氣CO2ff的變化狀況。隨后，大氣14CO2觀測(cè)被廣泛應(yīng)用于歐美等國(guó)家的CO2ff示蹤研究[12-15]。

2.2 大氣14CO2評(píng)估碳排放清單的國(guó)際案例

國(guó)際科學(xué)界的研究案例表明，大氣14CO2觀測(cè)結(jié)合模式可以用于評(píng)估碳排放清單，并降低清單的不確定性。點(diǎn)源碳排放量的不確定性通常較大（約20%），而結(jié)合了14C 的大氣模擬可以將美國(guó)火電廠碳排放量的不確定性降低到10%左右[15]。對(duì)于國(guó)家尺度，14C示蹤獲得的大氣CO2ff數(shù)據(jù)越多，越能準(zhǔn)確地反演碳排放量。由1 000 多個(gè)大氣CO2ff數(shù)據(jù)結(jié)合反演模型得到的美國(guó)月度碳排放量的不確定性為5%；當(dāng)大氣14C 數(shù)據(jù)增加到5 000 個(gè)時(shí)，不確定性會(huì)降低到約3%。由大氣14CO2和CO2數(shù)據(jù)結(jié)合反演模型得到的美國(guó)2010 年的碳排放量為1 653 ± 30 Tg C·yr–1，其不確定性低于2%[16,17]。

2.3 國(guó)際組織對(duì)大氣14CO2觀測(cè)的認(rèn)可和推薦

由于14C能夠準(zhǔn)確定量大氣CO2中來自化石源的貢獻(xiàn)量，14C示蹤被國(guó)際社會(huì)認(rèn)為是目前能獨(dú)立、客觀地評(píng)價(jià)碳排放的方法，獲得了廣泛的認(rèn)可和推薦。美國(guó)國(guó)家科學(xué)院（NAS）在2010 年和2022 年發(fā)表的報(bào)告中建議，擴(kuò)展大氣14CO2的觀測(cè)站點(diǎn)以獲取足夠多的數(shù)據(jù)來提高對(duì)碳排放清單的核驗(yàn)?zāi)芰18,19]。世界氣象組織（WMO）在2019年發(fā)布的全球溫室氣體公報(bào)中，將14C示蹤大氣CO2ff列為目前評(píng)估碳排放的主要手段，建議參與全球大氣觀測(cè)計(jì)劃（GAW）的實(shí)驗(yàn)室應(yīng)同時(shí)開展大氣CO2和14CO2的觀測(cè)[20]。IPCC將大氣14CO2觀測(cè)寫入最新修訂的溫室氣體清單指南中[8]，指出大氣14CO2觀測(cè)會(huì)提高基于CO2濃度的大氣反演結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)而更準(zhǔn)確地評(píng)估碳排放清單。

表1 不同碳排放評(píng)估方法的優(yōu)勢(shì)與不足Table 1 Advantage and disadvantage of different methods of evaluating carbon emissions

3 大氣14CO2觀測(cè)的國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀與不足

3.1 我國(guó)碳監(jiān)測(cè)的緊迫性與現(xiàn)狀

我國(guó)的碳排放約占世界的1/3，亟須大力開展碳監(jiān)測(cè)示蹤與反演研究。自1989年開始，我國(guó)陸續(xù)在青海省的瓦里關(guān)、北京市的上甸子村、浙江省的臨安區(qū)和黑龍江省的龍鳳山等地開展了大氣CO2濃度的長(zhǎng)期觀測(cè)[21,22]，一些研究也對(duì)東亞地區(qū)的大氣CO2柱濃度進(jìn)行了反演[23]。但我國(guó)當(dāng)前的CO2監(jiān)測(cè)與反演以總濃度為主，大多數(shù)未區(qū)分來自化石源和生物源的貢獻(xiàn)量，這不利于我國(guó)碳排放量的準(zhǔn)確評(píng)估和氣候外交談判。目前，大氣14CO2觀測(cè)的重要性已引起我國(guó)相關(guān)部門的關(guān)注。生態(tài)環(huán)境部在2021年9月頒布的《碳監(jiān)測(cè)評(píng)估試點(diǎn)工作方案》中，要求一些試點(diǎn)城市開展大氣14CO2監(jiān)測(cè)。

3.2 我國(guó)大氣14CO2觀測(cè)的進(jìn)展

與國(guó)外相比，我國(guó)對(duì)大氣14CO2的觀測(cè)研究起步較晚。直到2010 年，國(guó)內(nèi)才開始利用14CO2觀測(cè)來示蹤大氣CO2ff[24]。國(guó)內(nèi)團(tuán)隊(duì)對(duì)我國(guó)大氣14CO2的本底值及其與碳排放量的關(guān)系，城市大氣CO2ff的濃度水平、變化特征、來源和傳輸及與細(xì)顆粒物（PM2.5）的關(guān)系等進(jìn)行了系統(tǒng)研究（表2），取得了3項(xiàng)主要進(jìn)展[25-31]。

（1）建立了不同時(shí)間尺度的大氣14CO2樣品采集方法，實(shí)現(xiàn)樣品14C 的高精度測(cè)量；獲得我國(guó)大氣14CO2的本底值，改變依賴國(guó)外本底值的狀況。開展碳排放的14C 示蹤研究，首先需要建立可靠的樣品采集和分析方法，國(guó)內(nèi)目前已經(jīng)建立了從年到小時(shí)不同時(shí)間尺度的大氣14C 樣品采集方法，且樣品石墨化后，經(jīng)加速器質(zhì)譜儀測(cè)定，精度優(yōu)于0.2%。大氣14CO2的本底值是示蹤C(jī)O2ff的基礎(chǔ)，我國(guó)由于起步較晚，還缺乏大氣14CO2本底值的觀測(cè)，需要依賴國(guó)外本底值。國(guó)內(nèi)團(tuán)隊(duì)通過在青海省瓦里關(guān)、海南省七仙嶺和陜西省太白山等地的觀測(cè)，并與國(guó)外本底值進(jìn)行比較，確立了我國(guó)大氣14CO2的本底值，并揭示了其變化規(guī)律，改變了依賴國(guó)外本底值的狀況，進(jìn)而可以及時(shí)準(zhǔn)確地示蹤我國(guó)的CO2ff。

（2）定量了我國(guó)主要城市大氣CO2ff濃度水平、揭示其時(shí)空變化特征和影響因素。通過在我國(guó)主要城市的大氣14CO2觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)城市新增大氣CO2主要來自化石源排放。時(shí)間上，城市大氣CO2ff具有冬季高于夏季、日變化呈雙峰的特征，且工作日和非工作日的CO2ff差異不顯著，這與歐美城市不同。空間上，城市大氣CO2ff具有城區(qū)高于郊區(qū)、CO2ff由關(guān)中盆地中心向盆地周邊遞減和我國(guó)西北部城市冬季大氣CO2ff較高的特征。此外，對(duì)西安市大氣14CO2的多年觀測(cè)表明，西安市大氣CO2ff濃度由2011—2013年的40.1 ± 3.8 ppm下降到2014—2016年的25.7 ± 1.1 ppm，而同期PM2.5濃度由123.5 ± 9.5 μg·m–3下降到69.6 ± 8.4 μg·m–3，說明自2013 年9 月以來實(shí)施的“大氣十條”，促使了大氣污染物與CO2ff濃度的雙下降。

（3）解析了典型城市CO2ff的來源和傳輸?shù)挠绊懀l(fā)現(xiàn)與PM2.5的同步變化關(guān)系。國(guó)內(nèi)團(tuán)隊(duì)結(jié)合13C 同位素， 解析出西安市冬季CO2ff主要來自燃煤（54%—70%），而北京市冬季CO2ff主要來自天然氣燃燒（55% ± 9%）。區(qū)域氣象-大氣化學(xué)在線耦合模式（WRF-Chem）模擬結(jié)果表明，西安市CO2ff主要來自關(guān)中盆地內(nèi)排放，而北京市CO2ff會(huì)受到東南風(fēng)輸入的較大影響（約30%）。研究發(fā)現(xiàn)我國(guó)城市的CO2ff濃度與PM2.5濃度普遍相關(guān)，灰霾期間CO2ff濃度顯著升高，CO2ff與PM2.5兩者的濃度同時(shí)變化，這可服務(wù)于我國(guó)當(dāng)前減污降碳協(xié)同增效方案的實(shí)施。

表2 中國(guó)大氣14CO2的研究狀況Table 2 Research status of atmospheric 14CO2 in China

3.3 我國(guó)大氣14CO2觀測(cè)的不足

我國(guó)在大氣14CO2觀測(cè)方面已取得了一些進(jìn)展，通過14C 示蹤法得到了大氣CO2ff濃度水平，但由于與源清單法得到的碳排放量（單位為噸）量綱不同，故還不能直接對(duì)比。國(guó)內(nèi)有團(tuán)隊(duì)結(jié)合CO2觀測(cè)和大氣反演，研究了太原—晉中地區(qū)的碳排放量[32]，但其反演中的先驗(yàn)清單還未經(jīng)14C 示蹤校驗(yàn)?？傮w而言，我國(guó)在14CO2觀測(cè)結(jié)合大氣反演來定量碳排放量方面的研究還是空白。此外，碳匯量的反演首先需要準(zhǔn)確的化石碳排放量。因此，有必要構(gòu)建一種“14CO2—CO2”雙示蹤劑反演系統(tǒng)，相較于僅考慮CO2的傳統(tǒng)反演系統(tǒng)，雙示蹤劑反演系統(tǒng)能有效降低同化過程中因區(qū)分CO2ff與CO2bio不準(zhǔn)確所產(chǎn)生的誤差，從而進(jìn)行我國(guó)更為精準(zhǔn)的碳排放量反演。

4 建議

基于當(dāng)前碳減排的國(guó)際形勢(shì)和國(guó)際的研究前沿，大氣14CO2觀測(cè)是我國(guó)“雙碳”領(lǐng)域一項(xiàng)非常重要且迫在眉睫的工作，對(duì)此提出如下4點(diǎn)建議。

（1）我國(guó)幅員遼闊而大氣14CO2的觀測(cè)數(shù)據(jù)又比較缺乏。建議盡快結(jié)合大氣反演的需求，最大限度地在我國(guó)建立涵蓋不同類型地點(diǎn)的大氣14CO2觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，全面揭示我國(guó)大氣CO2中來自化石排放源和生物排放源的貢獻(xiàn)量，展現(xiàn)我國(guó)CO2ff和CO2bio的分布圖景，為大氣反演等研究提供關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）大氣14CO2觀測(cè)專業(yè)性強(qiáng)，精度要求較高（≤0.2%），因此，應(yīng)統(tǒng)一開展相關(guān)培訓(xùn)，并統(tǒng)一大氣14CO2觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)量方法。定期組織國(guó)內(nèi)比對(duì)，積極參與國(guó)際比對(duì)；定期與國(guó)外本底大氣14CO2的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比；積極與國(guó)際同行交流最新經(jīng)驗(yàn)和成果，擴(kuò)大我國(guó)在此領(lǐng)域的影響力。

（3）14C 測(cè)試成本較高，且目前大氣14CO2還不能在線觀測(cè)；但這是一項(xiàng)長(zhǎng)期的工作，需要各級(jí)政府和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)加大支持力度。建議將大氣14CO2觀測(cè)逐步納入溫室氣體監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)中，由相關(guān)科研院所牽頭制定統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范大氣14CO2樣品采集、測(cè)量和質(zhì)控等，并在研究上給予技術(shù)支持，由地方政府在采樣點(diǎn)布設(shè)、樣品采集、人員和經(jīng)費(fèi)等方面給予支持。

（4）盡快將14CO2觀測(cè)與大氣反演相結(jié)合，開展全國(guó)和區(qū)域的碳排放量反演，進(jìn)而校驗(yàn)清單碳排放量，提高我國(guó)碳排放數(shù)據(jù)的可靠性。