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；碳排放；時(shí)空分配

前言

隨著機(jī)動(dòng)車保有量不斷增長(zhǎng)，機(jī)動(dòng)車的污染排放已經(jīng)成為主要的空氣污染源，其中，機(jī)動(dòng)車碳排放占交通排放的80%以上。為了推動(dòng)機(jī)動(dòng)車有效減排，改善空氣和環(huán)境質(zhì)量，有必要開(kāi)展機(jī)動(dòng)車高分辨率排放清單的估算和時(shí)空分配，為機(jī)動(dòng)車排放時(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)車流信息來(lái)建立機(jī)動(dòng)車排放清單，但建立小范圍典型道路機(jī)動(dòng)車排放清單、特定類別車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)合道路車流量和路網(wǎng)的機(jī)動(dòng)車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)江人海口，地處北緯30°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㈤偕蚣?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)間路段車道數(shù)進(jìn)行確定，一般不宜少于區(qū)間路段車道總數(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)間路段的所有車道和區(qū)間路段實(shí)際通行的各類車型，但不應(yīng)選擇特殊車輛作為樣本。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、行車速度和車流密度，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)，即車輛較少，車流量未達(dá)到極大車流量時(shí)，車速會(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)，或者車輛較多，導(dǎo)致通過(guò)路段的車輛減少。

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)部門和非營(yíng)運(yùn)部門，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、車流量、車型結(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)化為車輛速度；

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

由于擁堵系數(shù)倒推得到的車流量數(shù)據(jù)無(wú)法區(qū)分機(jī)動(dòng)車車型，此處假設(shè)車型比例固定，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。