中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 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。近代工業(yè)革命以來，大氣CO₂濃度由之前的280 ppm增長到2022年的約417 ppm，同期地表平均溫度增長了約1.1oC。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(xié)定》達成如下協(xié)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(nèi)；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(shù)據(jù)對于評估和保障“雙碳”目標和國際履約的實現(xiàn)非常重要。

碳排放評估的主要方法

“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%），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(lián)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，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(shù)據(jù)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(tǒng)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(shù)據(jù)不確定性更大（50%—200%），這跟城市統(tǒng)計資料的不全面和統(tǒng)計邊界難以界定有關。

“自上而下”的觀測與反演法

《巴黎協(xié)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(jié)果的準確性，進而更準確地校驗碳排放清單。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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jié)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。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(jié)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(shù)據(jù)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（CO_2ff），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CO_2ff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（CO_2bio）中的¹⁴C水平與現(xiàn)代大氣¹⁴C水平相接近；CO_2ff和CO_2bio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CO_2ff最準確的工具。通過觀測大氣¹⁴CO₂值，可以定量獲得大氣CO_2ff濃度，進而用于直接驗證由人為源清單反演得到CO_2ff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(zhì)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(shù)據(jù)的可靠性。

大氣¹⁴CO₂觀測的國際趨勢與動態(tài)

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，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(jié)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(jīng)較小；歐洲開始利用大氣¹⁴CO₂觀測來示蹤城市大氣CO_2ff的變化狀況。隨后，大氣¹⁴CO₂觀測被廣泛應用于歐美等國家的CO_2ff示蹤研究。

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(jié)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(jié)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。對于國家尺度，¹⁴C示蹤獲得的大氣CO_2ff數(shù)據(jù)越多，越能準確地反演碳排放量。由1 000多個大氣CO_2ff數(shù)據(jù)結(jié)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(shù)據(jù)增加到5 000個時，不確定性會降低到約3%。由大氣¹⁴CO₂和CO₂數(shù)據(jù)結(jié)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%。

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(shù)據(jù)來提高對碳排放清單的核驗能力。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CO_2ff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。IPCC將大氣¹⁴CO₂觀測寫入最新修訂的溫室氣體清單指南中，指出大氣¹⁴CO₂觀測會提高基于CO₂濃度的大氣反演結(jié)果的準確性，進而更準確地評估碳排放清單。

大氣¹⁴CO₂觀測的國內(nèi)現(xiàn)狀與不足

我國碳監(jiān)測的緊迫性與現(xiàn)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，一些研究也對東亞地區(qū)的大氣CO₂柱濃度進行了反演。但我國當前的CO₂監(jiān)測與反演以總濃度為主，大多數(shù)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。

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(nèi)才開始利用¹⁴CO₂觀測來示蹤大氣CO_2ff。國內(nèi)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CO_2ff的濃度水平、變化特征、來源和傳輸及與細顆粒物（PM_2.5）的關系等進行了系統(tǒng)研究（表2），取得了3項主要進展。

（1）建立了不同時間尺度的大氣¹⁴CO₂樣品采集方法，實現(xiàn)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(nèi)目前已經(jīng)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(jīng)加速器質(zhì)譜儀測定，精度優(yōu)于0.2%。大氣¹⁴CO₂的本底值是示蹤CO_2ff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(nèi)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CO_2ff。

（2）定量了我國主要城市大氣CO_2ff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(xiàn)城市新增大氣CO₂主要來自化石源排放。時間上，城市大氣CO_2ff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CO_2ff差異不顯著，這與歐美城市不同。空間上，城市大氣CO_2ff具有城區(qū)高于郊區(qū)、CO_2ff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CO_2ff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CO_2ff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PM_2.5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CO_2ff濃度的雙下降。

（3）解析了典型城市CO_2ff的來源和傳輸?shù)挠绊懀l(fā)現(xiàn)與PM_2.5的同步變化關系。國內(nèi)團隊結(jié)合¹³C同位素，解析出西安市冬季CO_2ff主要來自燃煤（54%—70%），而北京市冬季CO_2ff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(jié)果表明，西安市CO_2ff主要來自關中盆地內(nèi)排放，而北京市CO_2ff會受到東南風輸入的較大影響（約30%）。研究發(fā)現(xiàn)我國城市的CO_2ff濃度與PM_2.5濃度普遍相關，灰霾期間CO_2ff濃度顯著升高，CO_2ff與PM_2.5兩者的濃度同時變化，這可服務于我國當前減污降碳協(xié)同增效方案的實施。

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CO_2ff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(nèi)有團隊結(jié)合CO₂觀測和大氣反演，研究了太原—晉中地區(qū)的碳排放量，但其反演中的先驗清單還未經(jīng)¹⁴C示蹤校驗。總體而言，我國在¹⁴CO₂觀測結(jié)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(gòu)建一種“¹⁴CO₂—CO₂”雙示蹤劑反演系統(tǒng)，相較于僅考慮CO₂的傳統(tǒng)反演系統(tǒng)，雙示蹤劑反演系統(tǒng)能有效降低同化過程中因區(qū)分CO_2ff與CO_2bio不準確所產(chǎn)生的誤差，從而進行我國更為精準的碳排放量反演。

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。

我國幅員遼闊而大氣¹⁴CO₂的觀測數(shù)據(jù)又比較缺乏。建議盡快結(jié)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(wǎng)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(xiàn)我國CO_2ff和CO_2bio的分布圖景，為大氣反演等研究提供關鍵基礎數(shù)據(jù)。

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

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(gòu)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(tǒng)一的技術標準，規(guī)范大氣¹⁴CO₂樣品采集、測量和質(zhì)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(jīng)費等方面給予支持。

盡快將¹⁴CO₂觀測與大氣反演相結(jié)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(shù)據(jù)的可靠性。

（作者：牛振川、王鵬、吳書剛、周衛(wèi)健，中國科學院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀地質(zhì)國家重點實驗室、西安加速器質(zhì)譜中心；《中國科學院院刊》供稿）