大氣14CO2觀測：碳排放評估的新方法

牛振川 王鵬 吳書剛 周衛(wèi)健

1 中國科學院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀地質國家重點實驗室 西安 710061 2 西安加速器質譜中心 西安 710061

南極冰芯的記錄顯示，過去80萬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（106）個氣體分子所含的該種氣體分子數。增長到2022 年的約417 ppm[2]，同期地表平均溫度增長了約1.1oC[3]。由此，國際社會普遍認為全球變暖是由于CO2等溫室氣體的排放造成的，并達成了減少溫室氣體排放以控制全球升溫的共識。《巴黎協定》達成如下協議：全球溫度增長不超過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；各國以“自主貢獻”的方式參與全球應對氣候變化行動。碳排放權即生存權和發(fā)展權，我國作為碳排放大國，面臨碳達峰、碳中和（以下簡稱“雙碳”）目標任務和國際碳減排壓力。因此，準確及時的碳排放數據對于評估和保障“雙碳”目標和國際履約的實現非常重要。

1 碳排放評估的主要方法

1.1 “自下而上”的源清單?法

目前，各國碳排放的評估主要依賴于“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的排放因子得到碳排放總量，這也是目前比較普遍和簡單的方法。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，尤其是燃煤的排放因子，因煤種的不同而變化較大。例如，聯合國政府間氣候變化專門委員會（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生的碳排放量（噸碳/噸煤）。為0.322—0.711，有研究實測我國燃煤新的碳排放因子平均為0.499，使用此新排放因子計算則表明我國2000—2012 年累積的碳排放量會被高估約29 億噸碳[6]，這比我國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碳排放數據的準確評估和國際履約。化石燃料消耗量的不確定性主要跟統計時有意和無意的誤差有關，并且在城市尺度上的碳排放數據不確定性更大（50%—200%）[7]，這跟城市統計資料的不全面和統計邊界難以界定有關。

1.2 “自上而下”的觀測與反演法

《巴黎協定》還建議利用可監(jiān)測、可報告、可核查的“三可”（MRV）方法體系，來監(jiān)測能源和化石燃料密集型國家的碳排放變化。IPCC在最新修訂的溫室氣體清單指南中，專門增加了校驗碳排放清單的方法，即基于大氣CO2濃度觀測來“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）觀測的加入可進一步提高僅基于大氣CO2濃度反演結果的準確性，進而更準確地校驗碳排放清單[8]。這種基于大氣CO2濃度觀測的反演是對“自下而上”源清單法的重要補充，可以獨立地校驗碳排放清單，提高國家碳排放數據的可靠性。

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濃度由地面站點觀測得到，其觀測的數據精度高（0.1 ppm）、時間連續(xù)，可定點長期觀測；但站點有限且僅代表地面的觀測結果。近年來，隨著衛(wèi)星遙感技術的發(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[9,10]。無論是地面站點還是衛(wèi)星遙感，其觀測值都是不同排放源混合的結果，并未識別來自化石源的貢獻量，這會使反演的碳排放量難以驗證。

為什么大氣14CO2觀測可以提高反演碳排放數據的準確性呢？這是因為常規(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）貢獻量的CO2（CO2ff），由此反演的碳排放量無法與清單中的碳排放量（主要來自人為源）準確匹配。放射性碳同位素（14C）是CO2ff最準確的示蹤劑，其準確性大幅優(yōu)于CO 和NO2等間接示蹤劑。14C的半衰期為5 730年，遠小于化石燃料的形成時間，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 水平與現代大氣14C 水平相接近； CO2ff和CO2bio的Δ14C 值差異約可達100%。碳同位素值在不同源之間的巨大差異使14C 成為分辨CO2ff最準確的工具。通過觀測大氣14CO2值，可以定量獲得大氣CO2ff濃度，進而用于直接驗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。當然，大氣14CO2作為一種新的觀測指標，也存在技術門檻高、精度要求高（≤0.2%）和不能在線測量的問題。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、昂貴的加速器質譜儀才能進行高精度（0.2%）的測量。

總體而言，不同的碳排放評估方法各有優(yōu)勢和不足（表1）。目前，應在已有的CO2濃度觀測的基礎上，盡快加入大氣14CO2這個新的觀測指標，“自上而下”地反演碳排放量，從而驗證碳排放清單，以此提高國家碳排放數據的可靠性。

2 大氣14CO2觀測的國際趨勢與動態(tài)

2.1 大氣14CO2觀測的起源和發(fā)展

西方國家早在20 世紀50 年代就開始了大氣14CO2觀測，觀測的最初目的是研究大氣層核武器試驗的影響。最早的大氣14CO2長期觀測于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都開始了大氣14CO2的長期觀測。觀測結果表明，由于大氣層核試驗的影響使得大氣14CO2水平急劇增加，到1964 年達到峰值；由于1963年《部分禁止核試驗條約》的簽訂，大氣14CO2在與海洋和陸地植被等碳庫的交換過程中，開始急劇下降。到20 世紀80 年代末和90 年代初，核爆的影響已經較小；歐洲開始利用大氣14CO2觀測來示蹤城市大氣CO2ff的變化狀況。隨后，大氣14CO2觀測被廣泛應用于歐美等國家的CO2ff示蹤研究[12-15]。

2.2 大氣14CO2評估碳排放清單的國際案例

國際科學界的研究案例表明，大氣14CO2觀測結合模式可以用于評估碳排放清單，并降低清單的不確定性。點源碳排放量的不確定性通常較大（約20%），而結合了14C 的大氣模擬可以將美國火電廠碳排放量的不確定性降低到10%左右[15]。對于國家尺度，14C示蹤獲得的大氣CO2ff數據越多，越能準確地反演碳排放量。由1 000 多個大氣CO2ff數據結合反演模型得到的美國月度碳排放量的不確定性為5%；當大氣14C 數據增加到5 000 個時，不確定性會降低到約3%。由大氣14CO2和CO2數據結合反演模型得到的美國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 國際組織對大氣14CO2觀測的認可和推薦

由于14C能夠準確定量大氣CO2中來自化石源的貢獻量，14C示蹤被國際社會認為是目前能獨立、客觀地評價碳排放的方法，獲得了廣泛的認可和推薦。美國國家科學院（NAS）在2010 年和2022 年發(fā)表的報告中建議，擴展大氣14CO2的觀測站點以獲取足夠多的數據來提高對碳排放清單的核驗能力[18,19]。世界氣象組織（WMO）在2019年發(fā)布的全球溫室氣體公報中，將14C示蹤大氣CO2ff列為目前評估碳排放的主要手段，建議參與全球大氣觀測計劃（GAW）的實驗室應同時開展大氣CO2和14CO2的觀測[20]。IPCC將大氣14CO2觀測寫入最新修訂的溫室氣體清單指南中[8]，指出大氣14CO2觀測會提高基于CO2濃度的大氣反演結果的準確性，進而更準確地評估碳排放清單。

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

3 大氣14CO2觀測的國內現狀與不足

3.1 我國碳監(jiān)測的緊迫性與現狀

我國的碳排放約占世界的1/3，亟須大力開展碳監(jiān)測示蹤與反演研究。自1989年開始，我國陸續(xù)在青海省的瓦里關、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濃度的長期觀測[21,22]，一些研究也對東亞地區(qū)的大氣CO2柱濃度進行了反演[23]。但我國當前的CO2監(jiān)測與反演以總濃度為主，大多數未區(qū)分來自化石源和生物源的貢獻量，這不利于我國碳排放量的準確評估和氣候外交談判。目前，大氣14CO2觀測的重要性已引起我國相關部門的關注。生態(tài)環(huán)境部在2021年9月頒布的《碳監(jiān)測評估試點工作方案》中，要求一些試點城市開展大氣14CO2監(jiān)測。

3.2 我國大氣14CO2觀測的進展

與國外相比，我國對大氣14CO2的觀測研究起步較晚。直到2010 年，國內才開始利用14CO2觀測來示蹤大氣CO2ff[24]。國內團隊對我國大氣14CO2的本底值及其與碳排放量的關系，城市大氣CO2ff的濃度水平、變化特征、來源和傳輸及與細顆粒物（PM2.5）的關系等進行了系統研究（表2），取得了3項主要進展[25-31]。

（1）建立了不同時間尺度的大氣14CO2樣品采集方法，實現樣品14C 的高精度測量；獲得我國大氣14CO2的本底值，改變依賴國外本底值的狀況。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，國內目前已經建立了從年到小時不同時間尺度的大氣14C 樣品采集方法，且樣品石墨化后，經加速器質譜儀測定，精度優(yōu)于0.2%。大氣14CO2的本底值是示蹤CO2ff的基礎，我國由于起步較晚，還缺乏大氣14CO2本底值的觀測，需要依賴國外本底值。國內團隊通過在青海省瓦里關、海南省七仙嶺和陜西省太白山等地的觀測，并與國外本底值進行比較，確立了我國大氣14CO2的本底值，并揭示了其變化規(guī)律，改變了依賴國外本底值的狀況，進而可以及時準確地示蹤我國的CO2ff。

（2）定量了我國主要城市大氣CO2ff濃度水平、揭示其時空變化特征和影響因素。通過在我國主要城市的大氣14CO2觀測，發(fā)現城市新增大氣CO2主要來自化石源排放。時間上，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由關中盆地中心向盆地周邊遞減和我國西北部城市冬季大氣CO2ff較高的特征。此外，對西安市大氣14CO2的多年觀測表明，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的來源和傳輸的影響，發(fā)現與PM2.5的同步變化關系。國內團隊結合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-大氣化學在線耦合模式（WRF-Chem）模擬結果表明，西安市CO2ff主要來自關中盆地內排放，而北京市CO2ff會受到東南風輸入的較大影響（約30%）。研究發(fā)現我國城市的CO2ff濃度與PM2.5濃度普遍相關，灰霾期間CO2ff濃度顯著升高，CO2ff與PM2.5兩者的濃度同時變化，這可服務于我國當前減污降碳協同增效方案的實施。

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

3.3 我國大氣14CO2觀測的不足

我國在大氣14CO2觀測方面已取得了一些進展，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，故還不能直接對比。國內有團隊結合CO2觀測和大氣反演，研究了太原—晉中地區(qū)的碳排放量[32]，但其反演中的先驗清單還未經14C 示蹤校驗。總體而言，我國在14CO2觀測結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確的化石碳排放量。因此，有必要構建一種“14CO2—CO2”雙示蹤劑反演系統，相較于僅考慮CO2的傳統反演系統，雙示蹤劑反演系統能有效降低同化過程中因區(qū)分CO2ff與CO2bio不準確所產生的誤差，從而進行我國更為精準的碳排放量反演。

4 建議

基于當前碳減排的國際形勢和國際的研究前沿，大氣14CO2觀測是我國“雙碳”領域一項非常重要且迫在眉睫的工作，對此提出如下4點建議。

（1）我國幅員遼闊而大氣14CO2的觀測數據又比較缺乏。建議盡快結合大氣反演的需求，最大限度地在我國建立涵蓋不同類型地點的大氣14CO2觀測網絡，全面揭示我國大氣CO2中來自化石排放源和生物排放源的貢獻量，展現我國CO2ff和CO2bio的分布圖景，為大氣反演等研究提供關鍵基礎數據。

（2）大氣14CO2觀測專業(yè)性強，精度要求較高（≤0.2%），因此，應統一開展相關培訓，并統一大氣14CO2觀測標準和測量方法。定期組織國內比對，積極參與國際比對；定期與國外本底大氣14CO2的觀測數據對比；積極與國際同行交流最新經驗和成果，擴大我國在此領域的影響力。

（3）14C 測試成本較高，且目前大氣14CO2還不能在線觀測；但這是一項長期的工作，需要各級政府和相關研究機構加大支持力度。建議將大氣14CO2觀測逐步納入溫室氣體監(jiān)測業(yè)務中，由相關科研院所牽頭制定統一的技術標準，規(guī)范大氣14CO2樣品采集、測量和質控等，并在研究上給予技術支持，由地方政府在采樣點布設、樣品采集、人員和經費等方面給予支持。

（4）盡快將14CO2觀測與大氣反演相結合，開展全國和區(qū)域的碳排放量反演，進而校驗清單碳排放量，提高我國碳排放數據的可靠性。