基于二氧化碳通量監測的低碳城市研究進展與思考＊

趙 俊，王 迪，付士磊

（沈陽建筑大學建筑與規劃學院，遼寧 沈陽 110016）

0 引言

氣候變暖已經成為一個不爭的事實并導致了一系列的社會和環境問題，對全球的可持續發展造成了一系列負面影響。除自然因素外，許多研究結果表明，全球氣候變暖的主要原因是人類活動能源消耗產生的CO2排放量過大。作為人類社會、經濟、文化的活動中心，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%。國際能源署預測，隨著全球城市化進程的加快，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測的視角總結了國內外碳通量監測技術尤其是渦度相關技術在低碳城市規劃方面的研究，對低碳城市規劃的國際研究經驗進行梳理，并對我國低碳城市的發展規劃提出建議。

1 低碳城市發展背景

1.1 緣起

當前，氣候變化問題已成為國際社會關注的焦點，氣候變化是一個全球性的問題，關系到全世界的利益。2015年12月，聯合國氣候變化會議在巴黎舉行，會議設定了全球升溫不超過工業革命前2℃的目標[1]。在這種背景下，低碳發展模式逐漸形成。低碳發展理念提出了一種低能耗、低污染、高能效的可持續發展新模式，以減少碳排放，應對全球氣候挑戰。

城市作為行政管理的基本單位，是人類生產和生活的中心，也是溫室氣體的排放主體。故城市環境的治理和監測一直以來受到廣泛關注，被視為實現可持續發展、解決氣候變暖問題的關鍵[2]。由此低碳城市的概念逐漸成為城市發展中的熱門話題。

1.2 發展

近年來，經濟的飛速發展、人口數量的大幅增長、城市化速度的顯著提高導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]。

為應對氣候變化，低碳城市等相關概念被提出。我國通過國際承諾和地方行動確立了具體的溫室氣體減排目標，同時也增強了減排意識。從2020年9月的第75屆聯合國大會一般性辯論到2020年12月舉行的氣候雄心峰會，我國多次表示，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現“碳中和”，要求政府、企業和個人都加入“碳補償”計劃。而實現“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，例如進行碳足跡分析、碳排放測算等。故關注二氧化碳監測技術手段及碳信息在城市規劃中的應用是非常必要的。

2 低碳城市研究對象與研究方法

2.1 研究對象

城市中不同活動會產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生溫室效應的主要原因。二氧化碳通量表示單位時間內通過生態系統中某一生態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都會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產生的二氧化碳通量，但對人類活動排放的二氧化碳通量進行研究依然重要，這是因為自然過程產生的二氧化碳是雙向流動的，而人類活動產生的二氧化碳只會向大氣單方向流動。

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，這種方法是根據各種能源的消耗數據進行計算，對研究尺度而言存在一定局限性，無法應用到碳匯研究中。對碳匯的估算研究以樣地清查法為主，其次是通過數學模型估算森林生態系統生產力和碳儲量的模型模擬法，利用這兩種方法對二氧化碳進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確、直接的監測大多通過環境監測站或手持二氧化碳監測儀器完成，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制和影響因素，因此更多的監測方法被廣泛應用，以監測二氧化碳通量的變化，從而將通量數據與不同的研究對象結合分析，深入了解二氧化碳的排放規律，有效指導低碳城市的規劃。

渦度相關技術是目前最為直接和標準的二氧化碳通量監測技術，已被廣泛應用于陸地生態系統碳源碳匯的研究。渦度相關技術最早應用在下墊面均一的自然生態系統，徐亞彬等[4]利用渦度相關技術觀測資料，分析了氣象要素對長白山森林生態系統二氧化碳通量的影響。隨著全球渦度相關技術的不斷發展，監測范圍已經從自然生態系統拓展到城市系統，監測時間及方式也從以往的短期移動監測發展為長期系統監測。

3 基于二氧化碳通量監測的低碳城市研究現狀總結

雖然有關低碳城市的研究內容眾多，但基于二氧化碳通量監測的低碳城市研究大致總結為以下3個方面：①土地利用類型、地表下墊面情況與城市碳排放的關系；②城市碳排放的時空變化特點研究，驗證人為活動因素和自然因素與城市碳排放的相關性；③城市綠地通過碳吸收抵消碳排放能力的相關研究。

3.1 土地利用類型與城市碳排放的關系

城市碳排放狀況受監測地表下墊面土地利用類型的影響，城市的不同區域碳通量也存在差異，城市中心區表現為碳源，城市農田生態系統表現為碳匯，人口密度較高的中心區碳通量大于郊區[5]。因此，開展基于渦度相關技術的碳通量監測活動需要先獲取監測范圍下墊面的詳細信息，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。獲取城市地表關鍵形態參數有助于辨析觀測數據的空間代表性，同時便于確定研究區域碳循環過程、進行環境和人為驅動機制的探討。

ZHANG K D等[6]以上海師范大學奉賢校區與上海應用技術大學奉賢校區為例，將建筑、道路、防水鋪裝等下墊面劃分為灰色基礎設施，將以植被為主的下墊面歸類為綠色基礎設施，將觀測區劃分為15m×15m的網格，在4個象限中選擇最能代表灰色基礎設施和綠色基礎設施的26個多邊形，根據它們在4個象限的碳貢獻量總結城市綠色基礎設施對二氧化碳的多尺度效應。

3.2 城市碳排放的時空變化特點

城市碳通量受地表下墊面情況影響的同時受時間和空間因素的影響。目前大多數研究將二氧化碳通量的時間變化結合土地利用類型、覆被分布特征進行分析研究。竇軍霞等[7]利用北京市順義區氣象局氣象塔高度36m處的湍流觀測資料分析出研究區域內二氧化碳通量的時間變化特點，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因素的綜合影響。城市中心區的碳通量主要受日常交通、家庭生活、制冷供暖等人類活動因素的影響，也受自然因素的影響，但影響不大。關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。

有關研究表明，就佛羅倫薩而言，郊區綠地可抵消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，相當于城市表面積的8倍。從碳平衡的角度來看，實施減少二氧化碳排放的措施可能會帶來更好的效果，而不是通過增加城市綠地來平衡二氧化碳的排放。

4 低碳城市規劃的思考

4.1 加強城市二氧化碳變化機理與模型構建研究

從低碳城市研究領域來看，主要涉及低碳經濟、低碳管理、低碳技術、生態碳匯等方面，交叉了經濟學、社會學、生態學等多個學科。事實上，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，因為其作用微弱，所以大多研究將它們忽略掉了。考慮到城市在地表和大氣之間二氧化碳循環的復雜性，應從整體出發構建城市二氧化碳循環模型，探究各個組分的變異特征和控制機理。

4.2 提升復雜城市環境下渦度相關技術通量監測方法

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空特性，因此，二氧化碳監測技術維度的拓展就顯得尤為重要。基于統計數據的估算方法適用于宏觀層面的低碳發展戰略分析，而渦度相關技術是目前最標準的碳通量觀測技術，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性的研究內容。同時渦度相關技術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性，很難找到理想的觀測站點，同時需要加強城市碳通量觀測數據的質量控制，提升數據校正與缺失數據插補等技術方法。其次，將單點觀測結果向城市尺度外推時有一定困難，應結合空間技術與模型手段開展城市區域尺度的碳循環研究。另外，渦度相關技術是一種局地尺度的觀測方法，其觀測結果只能代表特定環境、特定時期的特征，而不同發展階段、不同職能的城市碳排放特征差異較大，今后應在不同類型和不同發展水平的城市開展長期的二氧化碳通量監測活動并進行對比研究。

5 結語

高質量發展背景下，我國城市發展面臨重要轉型。盡管目前已經有許多關于城市二氧化碳通量的研究，但與城市規劃空間理論結合的較為少見，應將不同學科的二氧化碳通量監測技術與分析方法互通共融，使低碳城市規劃知識體系更加完備。隨著“碳達峰”“碳中和”理念的提出，開展科學計量，準確掌握城市二氧化碳排放量、排放結構、排放特征成為低碳城市研究的一項關鍵任務。本文從二氧化碳通量監測的角度出發，梳理了近年來國內外低碳城市規劃研究內容與技術手段的進展，并對低碳城市規劃提出加強城市二氧化碳變化機理與模型構建研究、提升復雜城市環境下渦度相關技術通量監測方法兩方面建議。