基于擁堵系數(shù)的上海市道路高分辨率碳排放時(shí)空分配方法研究

關(guān)鍵詞：擁堵系數(shù)；機(jī)動(dòng)車(chē)；碳排放；時(shí)空分配

前言

隨著機(jī)動(dòng)車(chē)保有量不斷增長(zhǎng)，機(jī)動(dòng)車(chē)的污染排放已經(jīng)成為主要的空氣污染源，其中，機(jī)動(dòng)車(chē)碳排放占交通排放的80%以上。為了推動(dòng)機(jī)動(dòng)車(chē)有效減排，改善空氣和環(huán)境質(zhì)量，有必要開(kāi)展機(jī)動(dòng)車(chē)高分辨率排放清單的估算和時(shí)空分配，為機(jī)動(dòng)車(chē)排放時(shí)空特征分析以及空氣質(zhì)量模型的精細(xì)化模擬提供數(shù)據(jù)支撐。

目前，機(jī)動(dòng)車(chē)排放清單的研究仍然主要集中在排放因子研究、時(shí)空分布特征研究和模型應(yīng)用等方面，排放因子法主要基于保有量和年均行駛里程，數(shù)據(jù)一般具有時(shí)間延遲、統(tǒng)計(jì)尺度不夠精細(xì)等問(wèn)題，仍無(wú)法有效反映道路交通的實(shí)際情況。大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)步使得掌握實(shí)際道路車(chē)輛的信息不再困難。盡管有研究開(kāi)始利用道路實(shí)時(shí)車(chē)流信息來(lái)建立機(jī)動(dòng)車(chē)排放清單，但建立小范圍典型道路機(jī)動(dòng)車(chē)排放清單、特定類(lèi)別車(chē)輛排放清單以及基于交通仿真模型建立排放清單的研究仍然是主流。

研究以上海市為例，提出了一種結(jié)合道路車(chē)流量和路網(wǎng)的機(jī)動(dòng)車(chē)碳排放清單的空間分配模型，可用于城市交通污染的準(zhǔn)確評(píng)估，并可結(jié)合空氣質(zhì)量數(shù)值模型模擬移動(dòng)源對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量的影響，以期為交通環(huán)境管理提供精細(xì)化技術(shù)手段和決策依據(jù)。

1研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1研究區(qū)域

上海市位于中國(guó)東部海岸中段，長(zhǎng)江人?？冢靥幈本?0°40'～31°53'和東經(jīng)120°52'～122°12'之間，市境東臨東海，南瀕杭州灣，西接江蘇、浙江兩省，總行政區(qū)劃面積6340.5平方千米，占全國(guó)總面積的0.06%。2023年，上海下轄16個(gè)區(qū)，共107個(gè)街道、106個(gè)鎮(zhèn)、2個(gè)鄉(xiāng)。

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源

高德和百度等導(dǎo)航公司從2014年開(kāi)始，推出了交通大數(shù)據(jù)據(jù)測(cè)平臺(tái)（https：//www. amap. com/，ht-tps：//map. baidu. com），基于海量的交通出行數(shù)據(jù)、車(chē)輛軌跡數(shù)據(jù)、位置服務(wù)數(shù)據(jù)等，實(shí)時(shí)獲取城市交通狀況。文章的實(shí)時(shí)路況數(shù)據(jù)來(lái)自百度地圖開(kāi)放平臺(tái)中的實(shí)時(shí)路況查詢API，通過(guò)獲取URL的方式獲取。采集區(qū)間為2023年07月13日至07月25日的00：00-23：00，采集間隔為60min。由志愿者社區(qū)創(chuàng)建和維護(hù)的開(kāi)源地圖數(shù)據(jù)集OpenStreetMap（OSM），包含建筑物、公園、自然景觀、宗教建筑、鐵路、各級(jí)公路、poi興趣點(diǎn)、交通站點(diǎn)、水系等矢量數(shù)據(jù)，文章下載OSM上海區(qū)域路網(wǎng)數(shù)據(jù)（https：／／www. openstreetmap. org/）.

2時(shí)空分配模型構(gòu)建

2.1擁堵系數(shù)與速度關(guān)系

推薦性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《道路交通擁堵度評(píng)價(jià)方法》（GA/T 115-2020）于2020年6月2日由公安部技術(shù)監(jiān)督委員批準(zhǔn)，并于2020年10月1日開(kāi)始實(shí)施。新標(biāo)準(zhǔn)定義衡量交通擁堵的程度為交通擁堵度，劃分為紅色I(xiàn)級(jí)（嚴(yán)重?fù)矶拢?、橘色Ⅱ?jí)（中度擁堵）、黃色Ⅲ級(jí)（輕度擁堵）、綠色I(xiàn)V級(jí)（暢通）。公安部交通管理科學(xué)研究所采用最大車(chē)均延誤、最大排隊(duì)時(shí)間指數(shù)以及區(qū)間路段平均行程速度對(duì)路口及路段的交通擁堵進(jìn)行狀態(tài)量化。

新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定區(qū)間路段平均行程速度測(cè)定時(shí)，樣本量根據(jù)區(qū)間路段車(chē)道數(shù)進(jìn)行確定，一般不宜少于區(qū)間路段車(chē)道總數(shù)的10倍，限速值選擇道路真實(shí)限速的常態(tài)下限速值。當(dāng)無(wú)明確限速規(guī)定時(shí)，可根據(jù)相關(guān)法規(guī)等進(jìn)行確定。同時(shí)調(diào)查樣本應(yīng)多樣化，宜覆蓋區(qū)間路段的所有車(chē)道和區(qū)間路段實(shí)際通行的各類(lèi)車(chē)型，但不應(yīng)選擇特殊車(chē)輛作為樣本。平均行程速度計(jì)算如式（1）所示：

城市各級(jí)道路的區(qū)間路段平均行程速度與交通擁堵程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

2.2速度與流量模型

一般描述交通流特性需要三個(gè)基本參數(shù)：交通量、行車(chē)速度和車(chē)流密度，關(guān)系公式如式（2）所示：

結(jié)合交通流三參數(shù)的基本關(guān)系，格林希爾治推導(dǎo)出流量——速度線性關(guān)系模型：

流量與速度的關(guān)系如圖1（b）所示：當(dāng)區(qū)間路段處于不擁擠的狀態(tài)，即車(chē)輛較少，車(chē)流量未達(dá)到極大車(chē)流量時(shí)，車(chē)速會(huì)隨著流量的增加而逐漸減少；而當(dāng)?shù)缆诽幱趽頂D狀態(tài)，或者車(chē)輛較多，導(dǎo)致通過(guò)路段的車(chē)輛減少。

2.3基于網(wǎng)格的排放量計(jì)算

文章界定上海市交通碳排放的估算范圍為：由城市交通直接消耗的能源所產(chǎn)生的碳排放，其中包括交通營(yíng)運(yùn)部門(mén)和非營(yíng)運(yùn)部門(mén)，但不包括交通工具制造、建筑性基礎(chǔ)設(shè)施等消耗能源所引起的間接碳排放。在碳排放的核算方法中，參考排放因子法，通過(guò)網(wǎng)格化分配方法，根據(jù)網(wǎng)格內(nèi)線源長(zhǎng)度、車(chē)流量、車(chē)型結(jié)構(gòu)等交通流特征數(shù)據(jù)計(jì)算不同網(wǎng)格分時(shí)段的分配權(quán)重和排放量：

根據(jù)擁堵系數(shù)與速度關(guān)系，以及速度與流量模型，可以獲得以下數(shù)據(jù)：

（1）將上海市路網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行1km*1km網(wǎng)格劃分，保存網(wǎng)格中心經(jīng)緯度，以及網(wǎng)格a內(nèi)各類(lèi)等級(jí)道路b的長(zhǎng)度數(shù)據(jù)；

（2）用網(wǎng)格中心經(jīng)緯度，爬取逐小時(shí)c擁堵系數(shù)數(shù)據(jù)（TLC）；

（3）擁堵系數(shù)根據(jù)與速度關(guān)系，轉(zhuǎn)化為車(chē)輛速度；

（4）車(chē)輛速度根據(jù)與流量關(guān)系，轉(zhuǎn)化為路段車(chē)流量。

由于擁堵系數(shù)倒推得到的車(chē)流量數(shù)據(jù)無(wú)法區(qū)分機(jī)動(dòng)車(chē)車(chē)型，此處假設(shè)車(chē)型比例固定，則相應(yīng)的排放系數(shù)也固定，故以上計(jì)算中，單位網(wǎng)格的碳排放僅與車(chē)流量相關(guān)，即與擁堵系數(shù)相關(guān)。因此，基于實(shí)時(shí)獲取的上海市道路擁堵系數(shù)，通過(guò)歸一化分配，可以獲得上海市小時(shí)、星期等時(shí)間分辨率的碳排放空間分配系數(shù)，從而構(gòu)建新的交通碳排放動(dòng)態(tài)時(shí)空分配方法。

國(guó)內(nèi)開(kāi)展的C02濃度數(shù)值模擬研究非常有限，且研究范圍多為區(qū)域尺度，城市級(jí)模擬較少，所用碳通量多為國(guó)際公開(kāi)統(tǒng)計(jì)清單，清單最高分辨率約0.1°（約11km），文章構(gòu)建的交通碳排放動(dòng)態(tài)時(shí)空分配模型，有助于基于本地化動(dòng)態(tài)排放特征，開(kāi)展上海市C02高分辨率清單時(shí)空分配以及濃度模擬等。

3結(jié)果與討論

3.1交通碳排放系數(shù)空間分布特征

通過(guò)繪制上海市道路1km*1km分辨率道路態(tài)勢(shì)逐時(shí)空間分布圖，可以看到道路呈現(xiàn)明顯的早晚高峰擁堵情況（見(jiàn)圖2）。

為了更直觀的了解高排放區(qū)域，將低排放網(wǎng)格設(shè)置為藍(lán)色，保留中高排放的網(wǎng)格，最終結(jié)果如圖3所示。圖中，顏色由黃到紅，排放逐漸增大，可以看出，上海市車(chē)流量較大的區(qū)域集中于各個(gè)區(qū)中心，而相比于其他區(qū)中心，中心城區(qū)的叉車(chē)流量明顯更大；另一方面，從各等級(jí)道路的排放量來(lái)看，高速路、一級(jí)路的排放量更大。綜上，高車(chē)流量區(qū)域主要集中在城區(qū)和高速道路上。

3.2交通碳排放系數(shù)時(shí)間分布特征及驗(yàn)證

由賀克斌主編的《城市大氣污染源排放清單編制技術(shù)手冊(cè)》中提供了基于典型路段逐時(shí)車(chē)流調(diào)查的移動(dòng)源排放時(shí)間分配系數(shù)，另外，全球性的C02排放清單產(chǎn)品EDGAR（https：//edgar.jrc.ec.europa.eu/dataset_ghg60）提供了20種人為C02排放類(lèi)別，包括制造業(yè)燃燒、電力行業(yè)和建筑能源EDGAR按國(guó)家或地區(qū)為道路運(yùn)輸排放C02類(lèi)別設(shè)置了各自的日變化系數(shù)，文章選用這兩種數(shù)據(jù)移動(dòng)源（或者稱道路運(yùn)輸）的周分配系數(shù)和日分配系數(shù)等時(shí)間分配系數(shù)，分別記為清單指南一分配系數(shù)和EDGAR -分配系數(shù)，與文章的排放系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。

從文章的交通碳排放系數(shù)的周變化上看，周一到周四，日分配系數(shù)小幅度下降，周五的日分配系數(shù)最高，為分配系數(shù)的峰值，周六和周日的分配系數(shù)明顯較低，周日的分配系數(shù)最低。文章的分配系數(shù)與清單指南的分配系數(shù)較為接近。從文章的交通碳排放系數(shù)的小時(shí)變化上看，日分配系數(shù)呈現(xiàn)出明顯的早晚雙高峰特征。凌晨0-5時(shí)，分配系數(shù)較低，5時(shí)后分配系數(shù)開(kāi)始上升，在7時(shí)左右達(dá)到峰值，此后逐漸下降，于12時(shí)左右達(dá)到谷值，之后緩慢回升，于18時(shí)左右到達(dá)晚高峰，之后呈下降趨勢(shì)。白天時(shí)段內(nèi)，12至13時(shí)的小時(shí)分配系數(shù)最低。清單指南一分配系數(shù)和EDGAR -分配系數(shù)均呈現(xiàn)早晚雙高峰特征，二者與文章小時(shí)分配系數(shù)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)分別為0.87和0.77，說(shuō)明文章的交通碳排放系數(shù)與已有數(shù)據(jù)產(chǎn)品相關(guān)性較好，具有一定的準(zhǔn)確性和可靠性（見(jiàn)圖4、圖5）。

4結(jié)論

綜上所述，研究構(gòu)建了新的時(shí)空分配模型，通過(guò)結(jié)合道路等級(jí)、道路長(zhǎng)度、流量一速度模型以及實(shí)時(shí)道路擁堵系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)排放的時(shí)空分布的精確描述。研究結(jié)果顯示，在空間上高排放區(qū)域主要集中在城區(qū)和高速道路上，在時(shí)間上日分配結(jié)果表現(xiàn)出周五為排放峰值的趨勢(shì)，并呈現(xiàn)出早晚雙高峰的小時(shí)分配排放特征。文章交通碳排放時(shí)間分配系數(shù)與交通碳排放時(shí)間分配系數(shù)與清單指南一分配系數(shù)和EDGAR-分配系數(shù)的比較分析顯示，相關(guān)系數(shù)分別為0.87和0.77，表明該研究所構(gòu)建的交通碳排放系數(shù)相對(duì)準(zhǔn)確，具有一定的可靠性。