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        • 論文
        主辦單位:煤炭科學研究總院有限公司、中國煤炭學會學術期刊工作委員會

        地球系統科學支撐碳中和的關鍵技術及發展趨勢

        2021-05-25

          實現碳中和涉及人為減排、能源結構調整、人工碳匯等手段的實施,這些本質上都屬于有序人類活動,其目標是包括中國在內的全球各國通過合理安排和組織,在滿足社會經濟發展需求的同時使自然環境在一定時空尺度內不發生明顯退化,甚至能持續好轉。在實施層面,人類社會通過降低碳排放的手段進行氣候調控屬于對自然環境的人工調控或者最優調控問題,也是自然控制論的研究范疇。

          

          碳達峰與碳中和涉及諸多亟待解決的重要科學問題,一項由中國科學院、中國科學院大學、南京大學等8個單位的27位科研人員組成的研究團隊從地球系統科學角度,討論了支撐“碳達峰、碳中和”目標的大氣、陸地和海洋相關的地球系統科學中的若干科學和技術問題及現存的知識不足。從地球系統模式、氣候監測指標、溫室氣體監測技術、碳源/匯核算方法體系等方面,闡述了支撐碳中和的關鍵技術手段及現存的問題。中國科學院大氣物理研究所副研究員蔡兆男為第一作者,中國科學院大氣物理研究所副研究員成里京為第二作者。

          

          地球系統科學支撐碳中和的關鍵技術手段及現存的關鍵問題,包括:

          

          1.基于地球系統模型模擬和預估氣候變化,支撐碳中和路徑和目標

          

          地球系統模式能夠定量刻畫大氣、陸地、海洋碳循環等地球系統各部分之間的相互作用過程,是認識、理解全球碳循環過程和機制,以及模擬和預估氣候變化的核心工具。通過設置不同的碳中和目標約束(如何減排、如何增匯等),地球系統模式得到最有效、最合理的碳中和路徑,從而為尋找碳中和最優科學路徑提供強有力的技術和工具支持。當前,我國具有自主知識產權的第二代中國科學院地球系統模式(CAS-ESM2)實現了碳循環和氣候的完全耦合,可以模擬地球各主要分系統對不同碳中和路徑的響應,包括陸地和海洋碳通量變化、陸表植被和水文變化、氣候變化等。然而,當前地球系統模式在功能和性能上還需進一步完善,特別是提升對人為過程、植被動態演變、火干擾、氮循環等過程的描述。

          

          2.天空地一體化溫室氣體觀測系統

          

          2.1 衛星遙感觀測

          

          衛星遙感觀測可以在碳源/匯核查方面發揮重要作用。我國于2016年發射了第一顆CO2監測科學實驗衛星,又陸續發射風云三號D星和高分五號大氣成分監測衛星。由于幅寬較?。?0—20 km)且重訪周期長,國際上現有衛星主要在全球尺度碳源/匯反演中發揮作用,還無法滿足點源、城市、區域尺度監測需求。

          

          新一代的溫室氣體監測衛星的主要發展方向包括:①提高觀測的時空分辨率。例如,增加跨軌掃描寬度(> 100 km)以提高覆蓋范圍(中國風云三號G星、大氣環境監測衛星2星),提高時間分辨率(歐洲CO2M多星組網、美國GEOCARB靜止軌道衛星),采用激光雷達(歐洲MERLIN、中國“環境一號”衛星)實現晝夜觀測,以及溫室氣體和污染氣體協同觀測。②發展先進的遙感反演算法、快速高精度輻射傳輸模式和改進分子光譜學數據庫。③進一步發展衛星數據同化方法,實現人為溫室氣體源匯清單反演能力。

          

          2.2 地面溫室氣體通量觀測技術

          

          過去20多年,全球范圍內形成了碳通量觀測網絡(FLUXNET),為全球碳收支與全球變化研究提供了高質量的溫室氣體地面通量長期觀測數據。面向碳中和的需求,也應把溫室氣體地面通量的監測網作為整個碳核算監測體系的重要組成部分。該監測網絡的建設應關注5個方面:①加強典型城市下墊面的通量監測;②推動觀測方法、數據處理、儀器操作和維護的規范化和標準化建設,提升地面觀測通量數據的質量和可靠性;③強化非二通量先進測量技術的研發和加強CO2與主要非CO2溫室氣體(CH4和N2O)的地面通量同步觀測;④加快自主技術儀器設備的研發;⑤加強基于自主技術氣體分析儀的溫室氣體和污染氣體地面通量觀測研究。

          

          2.3 發展人為碳排放觀測技術

          

          目前的觀測技術在觀測非CO2溫室氣體方面還有較大欠缺。雖然所有7種溫室氣體都有可滿足精度需求的較成熟檢測方法,但還存在體積大、成本高、運維難度大、在線化程度低等缺點,因此不利于獲得廣泛的高分辨觀測數據。例如,氧化亞氮(N2O)、六氟化硫(SF6)、三氟化氮(NF3)需要帶有電子捕獲檢測器的氣相色譜儀,而氫氟碳化物(HFCs)、全氟碳化物(PFCs)需要氣相色譜質譜聯用儀。另外,不同高度的濃度觀測所代表下墊面通量貢獻區有顯著的差異,因此基于雷達、高塔、飛機、探空的垂直分布觀測也至關重要。

          

          2.4 加強城市碳監測平臺建設

          

          城市占陸地面積不到3%,卻直接排放了全球約44% 的CO2,間接影響了近80% 的能源相關的CO2排放,是估計人為碳排放的關鍵區域。在城市尺度上,CO2排放清單的統計數據和排放因子、時空分配方案等具有較大的不確定性,不同清單的差異可達70%~300%,并且無法識別和定位未知的排放源。城市尺度的CO2濃度排放監測和反演可以提供獨立的手段校準碳排放清單數據,服務于城市清單碳排放總量驗證,追蹤城市碳排放清單的遺漏。

          

          3 溫室氣體源-匯清單核算方法

          

          根據IPCC的國家溫室氣體清單指南,溫室氣體的人為源匯清單可用3個層級的方法編制;其中,第一、二層級是排放因子法,第三層級是過程模型法,都統一屬于“自下而上”(bottom-up)方法。排放因子法目前還是各個國家或地方政府編制溫室氣體清單的通行方法。由于活動水平資料難以快速更新,且排放因子數據通常是一些有限條件觀測數據的平均值,排放因子法往往不能比較客觀地反映溫室氣體源-匯的動態變化與空間分布。相比而言,過程模型法則可以克服排放因子法的上述不足。但是,過程模型的構建和檢驗,以及其驅動數據的準備,難度相對較大,這導致過程模型法僅在極少數發達國家及我國的部分土地利用類型(如農田、濕地等)溫室氣體源-匯清單編制中得到應用。另外,對于土地覆被和土地利用變化引起的溫室氣體源-匯變化,以及畜牧業的溫室氣體排放,過程模型法的應用仍然具有挑戰性。

          

          “自上而下”方法通過觀測大氣溫室氣體濃度,結合氣象場資料和大氣傳輸模式,利用同化技術反演估算區域源-匯及變化狀況。IPCC最新版的溫室氣體清單指南首次提出,該方法反演估算的溫室氣體源-匯狀況,作為完全獨立的數據,可以被用來驗證排放因子法或過程模型法編制的溫室氣體清單。當前,CO2同化系統發展趨勢主要表現在4個方面:①聯合同化地基觀測和衛星遙感的XCO2(大氣CO2柱濃度)數據。②聯合同化大氣CO2濃度、站點通量、遙感地表參數等數據。③同時優化生態系統和化石燃料燃燒的CO2通量?,F有的全球碳同化系統基本上都假設化石燃料燃燒的CO2通量數據無誤差,僅優化生態系統CO2通量,但事實并非如此[。14CO2是公認的理想化石燃料燃燒排放指示信號。④通過污染氣體和CO2的聯合同化,以優化化石燃料燃燒CO2排放。

          

          實施碳中和目標將是我國21世紀最大規模的人類有序活動,涉及地球系統多圈層相互作用,必將觸發地球環境演變,并催生新的科學前沿,研究人員提出了3點科學建議:

          

          (1)自主構建氣候變化監測指標系統,深入理解氣候系統多圈層相互作用過程和機制,為碳中和目標的實現提供科學基礎。針對我國尚未建立關鍵氣候變化核心指標實時監測平臺的問題,建議積極統籌各方力量,建立我國自主可控的氣候變化核心監測指標集和平臺,以實現全球氣候變化核心數據的自主化并形成國際影響力,動態評估全球氣候狀況,為應對氣候變化提供科學數據基礎。對氣候系統多圈層相互作用過程和機制的理解,是精準設置減排目標、準確評估氣候變化影響和風險的基礎。因此,要實現碳中和目標,需要全面加強全球碳匯格局、時間尺度、演化趨勢及其與氣候系統的互饋機理等方面的重要基礎科學研究。

          

          (2)自主研發溫室氣體監測與核查技術和平臺,為碳中和目標提供先進的科技支撐。目前,我國缺乏溫室氣體源匯評估的自主核查校驗方法和技術平臺。建議:①在監測數據獲取能力方面,突破溫室氣體空間監測技術、地面監測網、垂直探測、自主先進探測技術、非CO2監測技術,推進城市碳監測平臺建設,形成天空地一體化的溫室氣體監測能力。②在方法體系方面,研發基于天地一體化觀測的多尺度溫室氣體清單校核方法。融合“自上而下”反演方法與高分辨率“自下而上”動態清單方法,實現人為源-匯變化的精細化監測,為國家相關政策的制定提供科學依據。③需要全面認識和調查海洋和陸地的生物及其物理固碳能力,全面監測我國的碳源/匯。

          

          (3)進一步完善地球系統模式,以國家“地球系統數值模擬裝置”為核心,建設國家碳中和核算-評估-決策支持中心,用科技能力建設支撐碳中和戰略的實施。需要研發和優化可正確刻畫碳循環復雜過程的地球系統模型,結合不同減排情景和不同的人類活動影響,預估2030年和2060年的全球及我國碳收支特征,以及我國不同陸地生態系統對碳中和的貢獻;研究規劃最優碳中和路徑的方法論,評估生態工程可能的方案和轉換能源結構的最優途徑,為我國2060年前實現碳中和目標提供強有力的科技支撐。



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