人為排放的大量二氧化碳留存在大氣中，是造成全球氣候顯著變化的主要原因，如何摸清人為排放，特別是重點(diǎn)行業(yè)的碳排放情況，是控制全球升溫、實(shí)現(xiàn)降污減碳、擴(kuò)綠增長(zhǎng)的重要環(huán)節(jié)，長(zhǎng)期以來(lái)備受學(xué)界和社會(huì)關(guān)注。

來(lái)自中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所(大氣所)的最新消息說(shuō)，該所科研團(tuán)隊(duì)已成功構(gòu)建低成本地基-無(wú)人機(jī)協(xié)同碳觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)(LUCCN)，并針對(duì)人為二氧化碳排放開展綜合探測(cè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，該網(wǎng)絡(luò)可對(duì)人為碳排放情況進(jìn)行高效“診斷”，提供地球的“二氧化碳體檢報(bào)告”，助力世界實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和(“雙碳”)目標(biāo)。

由中國(guó)科學(xué)家完成的這項(xiàng)全球氣候變化領(lǐng)域重要研究成果論文，近日已在專業(yè)學(xué)術(shù)期刊《大氣科學(xué)進(jìn)展》上線發(fā)表，并將以封面文章形式在該期刊2024年第一期呈現(xiàn)。

為何要對(duì)地球進(jìn)行“二氧化碳體檢”

論文第一作者、中國(guó)科學(xué)院大氣所碳中和研究中心楊東旭副研究員介紹說(shuō)，根據(jù)全球碳項(xiàng)目的估計(jì)，2021年全球人為二氧化碳排放總量達(dá)到約400億噸/年。如果把地球看作是一個(gè)人，如此大量的二氧化碳積聚在“人體”中，地球很快就會(huì)二氧化碳中毒了。素有“地球之肺”之稱的南美洲亞馬孫森林，在20世紀(jì)90年代碳匯水平最高時(shí)期的二氧化碳凈吸收量約為20億噸/年。這意味著想要“人體”二氧化碳濃度處于正常水平，需要大約20個(gè)健康的“肺”同時(shí)進(jìn)行呼吸。

當(dāng)然，地球并沒有想象中那么脆弱，除了亞馬孫森林，中國(guó)西南林區(qū)也是一個(gè)巨大的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯，能夠儲(chǔ)存大量的二氧化碳，這是中國(guó)多年植樹造林的成果，為中國(guó)的綠色發(fā)展提供了保障。此外，覆蓋地球總面積70%以上的海洋，作為地球上最大的活躍碳庫(kù)，每年也能吸收大約26%的人為碳排放。

盡管如此，自工業(yè)革命以來(lái)持續(xù)排放的二氧化碳仍超出了地球自身固碳能力所能負(fù)荷的極限，剩余的二氧化碳無(wú)處可去，只能遺留在大氣中，2022年全球大氣平均二氧化碳濃度已達(dá)到417ppm。

為盡快落實(shí)《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約巴黎協(xié)定》，降低氣候變化對(duì)人類的影響，控制人為碳排放已成為社會(huì)各界的基本認(rèn)識(shí)。不過，由于對(duì)城市、地區(qū)、重點(diǎn)行業(yè)二氧化碳排放情況了解不足，現(xiàn)有排放清單的透明度和偏差問題依然存在，導(dǎo)致全球碳收支仍具有很大的不確定性。

為獲取準(zhǔn)確的碳排放數(shù)據(jù)，聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)國(guó)家溫室氣體清單指南2019修訂版提出利用大氣測(cè)量和反演的方法來(lái)核驗(yàn)排放清單?？紤]到人為排放源較高的排放強(qiáng)度和復(fù)雜多變性，因此有必要對(duì)大氣二氧化碳濃度變化開展密集、高質(zhì)量的連續(xù)探測(cè)。

LUCCN如何“診斷”人為碳排放

論文作者之一、中國(guó)科學(xué)院大氣所姚璐博士說(shuō)，本項(xiàng)研究中，中國(guó)科學(xué)院大氣所、中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院等多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)緊密合作，在廣東深圳、廣西南寧先后開展針對(duì)城市地區(qū)和重點(diǎn)行業(yè)的溫室氣體走航、地基遙感和無(wú)人機(jī)綜合觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，中國(guó)科學(xué)院大氣所團(tuán)隊(duì)基于低成本中精度溫室氣體傳感器構(gòu)建了LUCCN，并利用其觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)發(fā)電廠二氧化碳排放進(jìn)行定性和定量研究，為后續(xù)人為排放的定量研究提供了可選方案。

LUCCN網(wǎng)絡(luò)由5臺(tái)地基觀測(cè)設(shè)備和4臺(tái)無(wú)人機(jī)設(shè)備構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)空-地協(xié)同的溫室氣體原位探測(cè)任務(wù)。這些探測(cè)設(shè)備均采用低成本、中精度的非色散紅外傳感器進(jìn)行大氣二氧化碳濃度探測(cè)，每臺(tái)地基觀測(cè)設(shè)備均配備高精度微型氣象站，輔助后續(xù)的數(shù)據(jù)定標(biāo)和量化分析。

LUCCN兼具地基和無(wú)人機(jī)的探測(cè)能力，結(jié)合多機(jī)飛行系統(tǒng)中多個(gè)移動(dòng)傳感器的優(yōu)勢(shì)，在探測(cè)的時(shí)間連續(xù)性、空間覆蓋度、機(jī)動(dòng)性等方面都得到了改善，極大提升了探測(cè)數(shù)據(jù)的有效信息含量。

此外，受到云、氣溶膠和重訪周期的限制，當(dāng)前的衛(wèi)星觀測(cè)無(wú)法滿足對(duì)人為排放監(jiān)測(cè)和量化的高頻探測(cè)需求，構(gòu)建LUCCN對(duì)開展人為排放監(jiān)測(cè)和提升探測(cè)數(shù)據(jù)可用性具有不可忽視的作用。

楊東旭指出，在利用LUCCN探測(cè)得到針對(duì)排放源的二氧化碳濃度數(shù)據(jù)后，如何將濃度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為排放源強(qiáng)度，是進(jìn)行排放清單驗(yàn)證的必要步驟和關(guān)鍵問題。為此，科研團(tuán)隊(duì)此次基于單個(gè)無(wú)人機(jī)的原位探測(cè)數(shù)據(jù)，采用截面通量計(jì)算方法初步估算了發(fā)電廠的排放強(qiáng)度。其估算結(jié)果表明，利用無(wú)人機(jī)原位觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的排放量與清單數(shù)據(jù)之間存在著一定差異。科研團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這主要是由于無(wú)人機(jī)在探測(cè)過程中，對(duì)排放羽流橫截面的采樣較為稀疏，數(shù)據(jù)量的缺失造成反演的排放強(qiáng)度出現(xiàn)較大誤差，這正是目前無(wú)人機(jī)原位探測(cè)的不足之處。

在本次研究的后續(xù)探測(cè)實(shí)驗(yàn)中，LUCCN采用無(wú)人機(jī)飛行陣列開展點(diǎn)源探測(cè)，并獲得多個(gè)排放羽流截面及相對(duì)應(yīng)的排放強(qiáng)度估算結(jié)果。通過平均多個(gè)羽流截面的估算結(jié)果，可以在一定程度上降低排放強(qiáng)度的估算誤差。

未來(lái)探索研究將怎樣進(jìn)一步開展

楊東旭總結(jié)說(shuō)，這次研究構(gòu)建了一套地基便攜設(shè)備和無(wú)人機(jī)飛行陣列協(xié)同的碳觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，以彌補(bǔ)溫室氣體探測(cè)衛(wèi)星時(shí)空連續(xù)性的不足，形成了針對(duì)排放源的立體觀測(cè)能力。

科研團(tuán)隊(duì)通過對(duì)深圳電廠的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，地基原位探測(cè)設(shè)備對(duì)排放的探測(cè)能力受到地形條件的限制，而無(wú)人機(jī)探測(cè)能夠快速響應(yīng)并開展針對(duì)性探測(cè)，兩者協(xié)同的碳觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)能夠有效提升對(duì)點(diǎn)源排放的探測(cè)和量化能力。

本次實(shí)驗(yàn)已證明LUCCN在人為點(diǎn)源排放研究中的作用，但無(wú)人機(jī)原位探測(cè)的采樣策略和排放量估算，未來(lái)仍需要進(jìn)一步探索。

他透露，此次科研合作團(tuán)隊(duì)正在為 LUCCN系統(tǒng)研發(fā)一種基于探測(cè)數(shù)據(jù)的感知自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)策略，用于進(jìn)一步提升有效信息的探測(cè)效率。另外，大氣反演方法能夠有效降低排放強(qiáng)度的估算誤差，這也是后續(xù)追蹤排放所需開展的工作。(完)