碳中和愿景下的污水处理厂温室气体排放情景模拟研究

污水处理厂运行过程中大量释放甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O),是重要的人为温室气体排放源。基于2005—2015年统计资料和IPCC核算方法,估算了2005—2015年中国生活污水处理厂CH₄和N₂O排放,分析了其排放特征和影响因素;依据碳中和愿景设定3种减排情景（低减排、中减排和高减排),并预估了2020—2050年排放趋势和时空变化。结果表明：2005—2015年间污水处理厂温室气体排放量呈稳定增长趋势,CH₄从1135.37万t CO₂e上升至1501.45万t CO₂e,N₂O从2651.08万t CO₂e上升为2787.05万t CO₂e,年均增速分别为2.8%和0.5%。3种减排情景下,2020—2050年CH₄和N₂O排放量时间上呈先增后减趋势,低减排情景下CH₄和N₂O排放量分别于2036年和2025年达到峰值,分别为2431万和2819万t CO₂e;中减排情景和高减排情景下CH₄峰值点分别出现在2027和2025年,而N₂O排放峰值均出现在2025年。2050年中减排和高减排情景下CH₄排放量相较于低减排情景减排率约为47%和94%;2050年低减排、中减排和高减排情景下N₂O排放量相较于2015年分别减排了12%、53%和95%。CH₄和N₂O排放量在空间上差异显著,华东地区排放量高,西北地区排放量低,东南区域所在省份排放量整体高于西北区域省份。影响因素中的经济发展程度与温室气体排放量密切相关。     

中国废水处理甲烷排放特征和减排潜力分析

废弃物处理温室气体排放的主要排放源之一为废水（生活污水和工业废水）处理CH₄排放。根据统计资料和IPCC提供的方法,选择适合中国的排放因子,分析了中国废水处理2005-2010年的CH₄排放特征和2000-2010年CH₄产生的各驱动因子。并且根据中国的实际情况预测和分析了中国废水处理CH₄排放趋势和排放潜力。结果显示：2010年中国生活污水处理CH₄排放量为61.10万t,工业废水处理的CH₄排放量为162.37万t,造纸等八大行业CH₄排放量达到总CH₄排放量的92%以上,2005-2010年的CH₄排放量逐年增加;到2020年在减排情景下,生活污水处理CH₄排放量为101.36万t,减排潜力为7.63万t,比2010年排放量增加了66%;工业废水处理CH₄排放量233.93万t,减排潜力为25.99万t,比2010年排放量增加了44%。     

基于排放源的中国城市垃圾填埋场甲烷排放研究

利用全国垃圾填埋场的点源数据,基于实际调研和实验室分析建立中国不同区域、不同规模、不同填埋时间的排放因子矩阵,采用IPCC推荐的一级降解动力学（FOD）方法自下而上地核算了中国2107个垃圾填埋场在2007年的甲烷（CH₄）排放量。针对不同区域和类型的填埋场,分别就城市垃圾组分、可降解有机碳、CH₄修正因子、CH₄氧化系数、填埋场CH₄收集率等进行了深入研究。结果显示,中国2007年填埋场CH₄排放量为118.61万t,与《中华人民共和国气候变化第二次国家信息通报》2005年填埋场排放量（220万t）差异较大,其主要原因是城市垃圾填埋场统计数据的差异,例如填埋场个数及垃圾填埋量。中国绝大部分填埋场CH₄年排放量在700 t以下,超过1000 t的有279个,超过1万t的仅10个。江苏省的CH₄排放量最高,达到9.87万t;西藏的排放量最小,仅为0.21万t。东部江苏、广东、浙江等省的整体排放量较高,西部地区西藏、宁夏、青海等地的排放水平较低。     

国家温室气体清单时间序列一致性和2005年清单重算研究

《巴黎协定》透明度后续实施细则对发展中国家温室气体清单时间序列一致性方面的要求显著增强。文中基于IPCC清单指南中对温室气体清单重算的要求,对作为我国国家自主贡献基年的2005年温室气体清单进行重算。由于增加了新的排放源或吸收汇、更新部分活动水平或排放因子数据以及采用了更新的方法学,重算后的2005年国家温室气体清单排放量（以CO₂当量计,下同）为80.15亿t（不包括土地利用、土地利用变化和林业,即LULUCF),相比重算前增加了6.6%。能源领域对重算后总排放量上升影响最大,增加了4.26亿t,其中CO₂增长主要来自第三次全国经济普查（三经普）对2005年化石燃料消费量的修订,甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）排放上升主要原因是新增加了排放源。未来我国将更频繁地对以往清单年份开展重算,建议结合《巴黎协定》实施细则要求加强对我国温室气体清单时间序列一致性问题的研究,以更好地支撑国内应对气候变化决策分析,以及满足未来《巴黎协定》下的履约要求。     

稻田CH4排放的农业气象数值模拟研究

在美国DNDC模式基础上, 综合气象学、农业气象学及生态学最新研究进展, 将作物生长、碳氮循环及CH₄排放有机耦合, 建立了一个CH₄排放数值模式, 模式通过了相关显著性检验。利用模式重点分析了气象因子对稻田CH₄排放的影响状况, 数值分析表明, 当仅考虑气象条件影响时: (1) 不同地区不同生长季节的CH₄排放量均与相应生长期的平均气温成正相关关系; (2) 功率谱分析表明稻田CH₄排放存在4~5年周期变化, 与相应生长季节的平均温度年际变化规律相一致; (3) CH₄排放量年际之间变化趋势与生长季平均气温变化趋势基本一致。利用数值计算结果, 给出了杭州及昌德地区早稻、晚稻CH₄简易统计模式, 为应用模型监测并调控农田生态系统中的CH₄排放奠定了基础。     

江汉平原不同稻作模式下温室气体排放特征

采用静态箱-气相色谱法在江汉平原开展早稻、晚稻、中稻、虾稻和再生稻5种稻作类型温室气体排放监测试验,研究不同稻作模式下稻田CH₄和N₂O排放特征、总增温潜势及温室气体排放强度,为准确评估稻田生态系统温室气体排放提供参考依据。结果表明:CH₄排放集中在水稻前期淹水阶段,排放峰值最高为虾稻（85.7 mg·m-2·h-1）,较其他稻作模式高71.7%~191.5%。N₂O排放峰值主要出现于中期晒田和施肥阶段,排放峰值最高为再生稻（1100.7 μg·m-2·h-1）,较其他稻作模式高16.8%~654.9%。CH₄累积排放量从大到小依次为虾稻、再生稻、早稻、晚稻、中稻;N₂O累积排放量从大到小依次为再生稻、早稻、晚稻、中稻、虾稻;总增温潜势从大到小依次为虾稻、再生稻、早稻、晚稻、中稻;温室气体排放强度从大到小依次为虾稻、早稻、再生稻、晚稻、中稻。CH₄排放占比为82.9%~99.0%,稻虾田高排放主要原因为持续淹水时间长、秸秆还田和饲料投入,探究该模式CH₄减排举措最为关键;中稻由于水旱轮作,稻田温室气体排放最低,可作为低碳减排的主要稻作类型。     

我国温室气体本底浓度网络化观测的初步结果

CO₂和CH₄是《京都议定书》限排的主要温室气体。自1990年以来的长期观测表明, 我国青海瓦里关全球本底站大气CO₂和CH₄浓度与北半球中纬度地区其他一些本底站的同期观测结果具有可比性, 观测数据已成为WMO全球温室气体公报及国内外有关评估报告的重要参考依据; 我国4个区域本底站过去一年来的采样分析结果显示:北京上甸子、浙江临安、黑龙江龙凤山、湖北金沙大气CO₂和CH₄浓度明显高于同期瓦里关站的观测值, 表明4个区域站大气CO₂和CH₄受自然及人为活动的影响较大。迄今为止, 国内相关部门通过多种方式开展了温室气体浓度长期观测或短期科研, 各具优势和特点, 但力量相对分散、观测站稀少、侧重点和目标各异。为了全面掌握我国温室气体本底浓度时空变化, 了解不同区域大气受自然和人为活动影响的程度, 亟需相关部门分工协作、优势互补、资源共享, 尽快推进我国温室气体及相关微量成分的网络化观测分析和源汇反演模式系统建设, 进而测算、验证不同区域温室气体排放源和吸收汇的动态变化, 分析、评估各区域之间的输送和影响, 为我国应对气候变化的内政、外交提供决策支持。     

基于飞机观测资料的石家庄秋季对流层CH4垂直分布特征

为研究石家庄秋季对流层内CH₄垂直分布特征,2018年9月使用“空中国王350”飞机搭载Picarro温室气体在线观测仪和气象要素观测设备,对石家庄上空（600—5500 m）CH₄浓度进行探测。探测期间共飞行7架次,取得7条CH₄浓度廓线数据。结果表明: 石家庄上空近地面层（1000 m以下）CH₄平均浓度与同时间段区域背景站上甸子站CH₄浓度呈显著正相关（r=0.81,P < 0.03）。探测到的CH₄浓度最小值为1898×10^-9摩尔分数,最大值为2219×10^-9摩尔分数,平均浓度为1981×10^-9摩尔分数。观测得到的7条廓线均有较好的一致性,2000 m以上,浓度均随高度呈先增大后减小的趋势。利用后向轨迹模式（HYSPLIT）对探测时段内石家庄上空不同高度层主要气流传输路径进行统计分析表明,600 m高度输送路径较短,CH₄浓度受本地排放影响较大; 3000 m受输送作用影响较大,偏西和西南路径可能将较高CH₄浓度气团输送至石家庄上空; 5000 m气团传输对CH₄浓度影响较小,浓度相对较稳定,对传输路径的变化不敏感。     

CH4和N2O的辐射强迫与全球增温潜能

CH₄和N₂O作为主要温室气体,自工业革命以来排放量急剧增加,已经被列入《京都议定书》要求控制它们的排放。本文利用高光谱分辨率的辐射传输模式,计算了CH₄、N₂O在晴空大气和有云大气条件下的瞬时辐射效率和平流层调整的辐射效率,以及它们的全球增温潜能(GWP)和全球温变潜能(GTP),并根据模式结果拟合了CH₄和N₂O的辐射强迫的简单计算公式。本文的研究表明:CH₄和N₂O在有云大气下的平流层调整的辐射效率分别为4.142×10-4 W m-2 ppb-1和3.125×10-3 W m-2 ppb-1 (1ppb=10-9),经大气寿命调整后的辐射效率分别为3.732×10-4 W m-2 ppb-1和2.987×10-3 W m-2 ppb-1,与IPCC(2007)的相应结果高度一致。CH₄和N₂O 100年的全球增温潜能GWP分别为16和266;100年的脉冲排放的全球温变潜能GTPP分别为0.24和233;持续排放的全球温变潜能GTPS分别为18和268。它们在未来全球变暖和气候变化中,影响仅次于CO₂,仍然起着非常关键的作用。     

CMIP6情景中主要温室气体和气溶胶排放强度的时空分布特征分析

基于不同共享社会经济路径（Shared Socioeconomic Pathways, SSPs）形成的8组最新的未来可能情景（SSPx-y情景）,被用于第六次耦合模式比较计划（CMIP6）,以据此来预估未来气候变化的可能幅度和趋势。本文主要对比分析了8组SSPx-y新情景中主要温室气体和气溶胶排放数据的基准年排放强度分布、未来排放强度的时空变化、以及在6个典型区域排放强度的逐年变化等特征。结果表明:二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）、黑碳（BC）、二氧化硫（SO₂）在基准年的排放强度高值区都位于东亚和南亚。相比于基准年,2100年CO₂和CH₄在高和低辐射强迫情景下表现出的排放强度变化有显著差异。此外,所有情景下2100年的BC和SO₂全球平均排放强度都弱于基准年的排放强度。在时间变化上,随着生物质能碳捕获与封存技术的不断进步,所有地区在4组不超过3.4 W/m2的低辐射强迫情景下,CO₂排放强度到2100年都呈现负值。其中,南美洲的负排放最强,2100年在SSP5-3.4情景下该地区的排放强度为－0.3 kg m－2 a－1。最后,对比东亚和南亚排放强度的逐年变化可以发现,在各情景所描述的未来发展过程中,东亚的减排行动的成效都要好于南亚。     

中国大气本底观测:减污降碳背景下主要大气成分变化趋势

大气成分变化对天气气候、环境生态,以及人体健康、社会生活等都有重要影响.只有通过长期观测,了解这些大气成分的浓度水平、变化趋势、相关源汇过程,才能准确地评估人类活动对当前地球气候、环境和生态系统造成的影响,保护人类发展和生存条件.本文概括介绍了世界气象组织全球大气监测计划(WMO/GAW)和我国开展大气本底观测的发展历...     

卫星高光谱大气CO2探测精度验证研究进展

卫星高光谱大气CO₂遥感探测对全球气候变化研究意义重大,卫星CO₂反演产品的地基观测验证是获得产品精度评价、发现算法可适用范围和局限性的重要环节,因此地基高光谱CO₂的观测验证研究对提高卫星产品定量精度至关重要。本文综述了当前国际上大气CO₂探测卫星的研制进展,短波红外大气CO₂的反演方法进展,重点阐述了地基高光谱CO₂探测技术进展及其对卫星大气CO₂的定量探测精度验证方法和技术研究进展,并对该研究领域未来的发展提出展望。     

地面风对瓦里关山大气CH4本底浓度的影响分析

使用1994年7月至1996年12月大气CH₄和地面风现场连续观测资料，分析了瓦里关全球大气本底基准站（36°17′N, 100°54′E，海拔3816 m）地面风变化对大气CH₄本底浓度的影响。结果表明，水平风向、风速和垂直风向、风速的变化对大气CH₄观测值的影响在春、夏、秋、冬季有明显不同，水平风向NE—ENE—E为CH₄测量最主要的局地影响非本底扇区，静风及水平风速大于10 m/s、垂直风速大于±1 m/s对观测结果都有较大影响；由的统计平均还给出了此段期间瓦里关大气CH₄在不同季节的浓度分布范围和日变化类型，并分析了可能成因；将地面风数据作为大气CH₄本底资料的过滤因子之一，提出了适用于不同使用目的和要求的我国内陆高原大气CH₄本底数据筛选方法，本底数据留存率约为原始资料量的50%。     

我国瓦里关山、兴隆温室气体CO2、CH4和N2O的背景浓度

为了研究中国大陆温室性气体CO₂、CH₄和N₂O大气浓度的区域分布和变化特征以及与人类活动的关系,从1995~2000年,先后在青海瓦里关山全球大气基准站（36°18′N,100°54′E,3810 m）及河北中国科学院兴隆天文台（40°24′N,117°30′E, 940 m）,利用不锈钢瓶取样和气相色谱法分析,观测了两地大气中温室气体CO₂、CH₄和N₂O的浓度及其变化情况。结果表明:兴隆和瓦里关山站CO₂、CH₄和N₂O的同期年平均浓度分别为376.7×10-6和373.5×10-6,1886×10-9和1831×10-9,316.7×10-9和314.9×10-9。从1995~2000年,兴隆站CO₂、CH₄和N₂O的年增长率分别为1.95×10-6,9.02×10-9和0.75×10-9。而瓦里关山站从1997~2000年,CO₂、CH₄和N₂O的年增长率分别为1.41×10-6,9.95×10-9和0.82×10-9。两地大气中三种气体的浓度与年增长率与全球同类台站的观测结果接近。同时也在一定程度上反映了各自不同的环境背景特征。     

Review and Development on the Studies of Chinese Meteorological Satellite and Satellite Meteorology

Meteorological satellite and satellite meteorology are the fastest developing new branches in the atmospheric sciences. Today the meteorological satellite has become a key element in the global atmospheric sounding system while the satellite meteorology is covering the main components of earth's system science. This article describes the major achievements that China has made in these fields in the past 30 years. The following contents are involved: (1) History and present status of China's meteorological satellites. It covers the development, launch, operation, technical parameters of China's polar and geostationary meteorological satellites. (2) Major achievements on remote sensing principle and method. It describes the retrieval of atmospheric temperature and humidity profiles, cloud character retrieval, aerosol character retrieval, precipitation retrieval as well as the generation of cloud wind. (3) Achievement on the studies of meteorological satellite data application. This part covers the applications of meteorological satellite data to weather analysis and forecast, numerical forecast, climate monitoring, and prediction of short-term climate change. Besides, the new results on data assimilation, climate monitoring, and forecast are also included.     

碳卫星高光谱二氧化碳探测仪基于太阳夫琅禾费吸收线的在轨波长定标

大气二氧化碳（CO₂）探测仪（ACGS, Atmospheric Carbon dioxide Grating Spectrometer）搭载于中国全球二氧化碳观测科学试验卫星（TanSat）,通过探测0.76 μm、1.61 μm、2.06 μm波段的反射太阳光谱,采用最优估计算法反演大气CO₂浓度。满足高光谱分辨率和高精度CO₂浓度反演需求,精确探测光谱波长的变化非常重要。本文以高分辨率太阳参考光谱的夫朗禾费吸收线作为参考基准,利用ACGS对太阳的观测光谱计算了ACGS三个谱段通道中心波长位置在一年内的变化情况。结果显示,三个谱段的波长变化在光谱分辨率10%以内,满足光谱定标精度需求。这种变化可能是由于仪器在轨状态变化引起,特别是在轨运行温度变化引起的。ACGS波长的微小变化需要在产品反演中进行修正。基于独立太阳夫琅禾费吸收线的在轨光谱定标方法不仅可以有效监测ACGS的光谱稳定性,还可以为L2产品的处理的提供参考信息。     

碳中和目标下中国燃煤电厂CCUS集群部署优化研究

燃煤电厂作为中国最大的CO₂排放源,是中国实现碳中和目标的关键点。CO₂捕集、利用与封存（CCUS）技术是目前煤电行业实现深度减排的唯一途径,碳约束情景下,CCUS技术将在实现煤电碳达峰、碳中和目标中发挥不可或缺的作用。研究中首先使用综合环境控制模型（IECM）对燃煤电厂捕集技术环节的成本构成和经济性进行核算,得到中国燃煤电厂逐厂CO₂捕集成本和捕集量;其次,基于地质利用封存潜力及分布特征,构建CCUS源汇匹配优化模型,得到碳中和目标下的煤电CCUS项目分阶段布局方案;最后,以优化基础设施建设并通过规模经济降低成本为前提,使用聚类分析方法对煤电CCUS项目集群进行识别,进一步构建改进成本最小生成树模型,得到CCUS项目集群最低成本CO₂输送管道网络的路线优化策略。研究表明：碳中和目标约束下,需要对总装机容量约为355 GW的300个燃煤电厂进行CCUS技术改造,2030—2060年间可实现累积减排190.11 亿t CO₂。煤电CCUS项目集群主要分布在华中、华北和西北地区,通过建立CCUS枢纽以实现CO₂运输基础设施共享,在松辽盆地、渤海湾盆地、苏北盆地和鄂尔多斯盆地优先开展CCUS早期集成示范项目,能显著降低运输成本,推动CCUS技术大规模、商业化发展。