1 京津冀城市群碳监测网络 京 津 冀 地 区 面 积 21.6 万 平 方 公 里， 人 口 达 到 1.1 亿。GDP 占全国的 11%，其中钢铁产量占全国的 个站的高密度监测网的 CO2 精度为 1-5ppm（1%）， 揭示城市 CO2 高时空变化特征和规律。 28.4%，煤炭消费强度更是达到全球平均的 30 倍。因 以上观测数据进入大数据融合同化系统，应用 此京津冀区域是全球碳排放强度最大的区域之一。在科 贝 叶 斯 反 演（Bayesian Inversion） 和 局 地 集 合 卡 尔 技部重点研发专项项目“京津冀城市群高时空分辨率碳 曼 滤 波（LETKF-C）2 种 方 法 研 制 了 空 间 分 辨 率 为 排放监测及应用示范”支持下，中国科学院大气物理研 1km×1km、时间分辨率为 1 小时的高时空分辨率碳同 究所牵头，国内 16 家单位参与，于 2018 年起逐步建立 化反演系统，同化反演结果与先验清单在京津冀城市尺 [1] 了京津冀城市群碳监测网络 。该网络首次在中国建立 度差异为 5-12%。同时建立的 1km 逐小时的生物圈碳 了国际前沿的城市群天、空、地大气 CO2 综合观测体系。 通量模型（VEGAS_Regional）实现了碳的水平传输、人 如图 1 所示，观测体系包括 3 颗国际碳卫星和 3 颗我国 口和动物呼吸碳排放的模拟。应用该系统可分离出新冠 自主碳卫星或碳载荷、6 个高精度 CO2 基准站、200 余 疫情、生物圈和天气对大气 CO2 浓度的定量影响。开发 个站点组成的高密度 CO2 观测网、十余辆移动观测车、 网格化的碳排放清单，然后通过多源数据融合技术与同 2 架大气探测飞机、大气廓线采样、CO2 激光雷达扫描 化系统模拟产生城市群高时空分辨率碳监测信息，并通 等，其中高精度基准站和高密度观测网开展连续观测， 过建立可视化监测与分析示范平台以及低碳评估指数体 而飞机、观测车、激光雷达开展定期强化观测。高精度 系作为应用出口。 监测系统的进样口一般安装在具有较高高度的观测塔塔 顶，结合高精度光腔衰荡光谱（CRDS）法 CO2 分析仪 配套了进样模块、除水模块以及自动标定模块，实现了 无人值守站点的全自动化观测（图 2）。在垂直观测方面， 建立了不同高度层的温室气体垂直观测体系，综合利用 梯度塔、CO2 激光雷达、大气探测飞机和平流层探空气 球实现了从近地面到 30km 高度的分层 CO2 高精度观测 技术，各项技术分别针对近地层、边界层内、对流层内 的温室气体分布（图 3）。此外，针对城市群 CO2 浓度 变化大的特点，还研制了低成本中精度传感器，200 多 图 3 | 不同高度层的温室气体监测技术 来源：“京津冀城市群高时空分辨率碳排放监测及应用示范”项目组 北京边界层塔 图 1 | 京津冀碳监测项目综合监测体系示意图 来源：“京津冀城市群高时空分辨率碳排放监测及应用示范”项目组 图 2 | 京津冀碳监测项目高精度基准站外景及 CO2 高精度观测系统 来源：“京津冀城市群高时空分辨率碳排放监测及应用示范”项目组 美国洛杉矶城市群碳监测网络 4 （LA Megacity Carbon Project） 加利福尼亚州南海岸盆地（SCB）地区拥有大约 洛杉矶碳监测项目的经验是在可能的情况下，可 1630 万居民，占地面积约 17100 平方公里。SCB 在 以在开放式通信塔上寻找监测位置，因为它们自身的 地表复杂性、气象学及其 CO2 和 CH4 排放的时空变异 结构特点使得其受扰动气流和附近排放源影响较少。 性方面具备独特的挑战。SCB 地区具备独特的地理条 当关键采样区域没有可用的塔址时，可以在目标监测 件：西面是太平洋，北面和东面是山脉，在特大城市 区域的高层、多层建筑屋顶上寻找适合的位置，在评 洛杉矶上空观测到的中尺度环流模式在大气传输模型 估屋顶场地情况时，进行大涡模拟以探究附近结构对 中具有挑战性，且盆地内复杂的地形可以形成微气象 建筑物屋顶周围流场的影响。 带，导致物质输送模型更加复杂。因此，需要一个具 自上而下的排放反演法需要准确定量相对于当地 有高度空间和时间分辨率的密集监测网络来为洛杉矶 背景的温室气体抬升浓度。洛杉矶城市群碳监测项目中 温室气体通量计算提供可靠数据。洛杉矶城市群碳监 应用了一种基于简单统计过滤标准的数据选择方法，将 [4] 是美国国家标准与技术研究所（NIST）建立 观察到的 CO2 和 CH4 摩尔分数的稳定值用作当地背景空 的三个城市温室气体测量试验平台之一，旨在证明在 气水平，并进一步用于估计洛杉矶的 CO2 和 CH4 的浓度 城市和区域范围内温室气体测量可以为碳排放提供准 抬升。这种数据选择方法依赖于以下标准：（1）1 小时 确的结果。洛杉矶城市群碳监测的目标是测量 SCB 的 内的变化在一定范围内；（2）小时与小时间差异在一定 多年温室气体排放趋势，包括温室气体整体排放量以 范围内；（3）前两个条件可持续几个小时。基于这些标 及重点部分的排放量，这些重点部门包括电力、工业、 准，监测值可以排除局部排放或再循环效应的影响，且 运输和农业。 这种数据过滤方法不依赖于任何其他观测（即风、边界 测项目 洛杉矶温室气体监测网络设计基于 CO 的网络受 层高度等）。然而，此方法忽略了大气输送情况的变化， 体足迹敏感性分析，使用模式模拟（WRF+STILT）初 在实际环境中，背景值随时间和季节变化，因此还需进 步筛选站点位置并确定站点数量。场地评估和选址流 行反向轨迹分析，评估大气输送对背景值的影响。 程包括以下步骤： （1）对地图和卫星图像进行目视检查， 查看是否有高塔，现有开放式通讯塔等优先，高度在 50-100m 左右，并评估地形和附近强温室气体排放源 的潜在影响；（2）现场调查；（3）对目标区域进行 移动监测；（4）在矮塔（约 10 m）上临时（约 1-2 周） 安装 CRDS 法温室气体分析仪，根据观测结果确认后 再最终设点。洛杉矶城市群碳监测网包括 12 个城市点 和 4 个背景点（如图 7）。各站点除温室气体高精度 监测系统外，都配备了气象站，用于测量风速、风向、 气压、气温、湿度、露点温度和入射太阳辐射。 图 7 | 洛杉矶城市群温室气体监测网络示意图 [5] 来源：Verhulst, K. R. et al., 2017 表 2 | 洛杉矶城市群温室气体监测点的地理位置、观测塔高度和使用的仪器 Code Full site name VIC GRA USC-1 USC-2 COM FUL IRV SCI ONT CNP LJO CIT-1 CIT-2 MWO PVP SBC Victorvillea Granada Hillsa downtown LA (University of Southern California)b, c downtown LA (University of Southern California)b, c Comptona Fullerton (CSU Fullerton)b Irvine (UC Irvine)b San Clemente Islanda Ontarioa Canoga Park* La Jolla (Scripps Pier)b Pasadena (Caltech, Arms Laboratory)b;d;* Pasadena (Caltech, Millikan Library)d;* Mt. Wilsonb;e;* Palos Verdes Peninsulab;* San Bernardinoa;b;* 来源：Verhulst, K. R. et al., 2017 Inlet height (m a.g.l.) 100/100/50 51/51/31 50 50 45/45/25 50 20 27 41/41/25 15 13 10 48 3 3 27/58 Site elevation (m a.s.l.) 1370 391 55 55 9 75 10 489 260 245 0 230 230 1670 320 300 Lat (◦N) 34.61 34.28 34.02 34.02 33.87 33.88 33.64 32.92 34.06 34.19 32.87 34.14 Long (◦W) 117.29 118.47 118.29 118.29 118.28 117.88 117.84 118.49 117.58 118.6 117.25 118.13 34.22 33.74 34.09 118.06 118.35 117.31 Analyzer Picarro G2301 Picarro G2401 Picarro G2301 Picarro G2401 Picarro G2401 Picarro G2401 Picarro G2301 Picarro G2401 Picarro G2301 Picarro G2301 Picarro G2301 Picarro G2401 Picarro G2301 5 瑞士温室气体监测体系和 在国家清单中的应用 瑞士建立了国家温室气体监测网络，并在提交至 UNFCCC CH4 和 N2O 的 排 放 量 利 用 监 测 的 大 气 浓 度 结 合 大 气 反 的《Switzerland’s Greenhouse Gas Inventory 1990–2018 演 模 式 FLEXPART 获 得。FLEXPART 模 式 由 瑞 士 国 家 气 象 局 National Inventory Report》 中 将 利 用 大 气 浓 度 监 测 计 算 的 （MeteoSwiss）提供的数值天气预报模型 COSMO（7 km×7 “ 自 上 而 下” 法 温 室 气 体 排 放 结 果 纳 入 附 件 5《Additional km 水平分辨率）的高分辨率气象输入数据驱动。对于每个站点， information on verification activities》。 在 3 小时的时间间隔内释放 50000 个离子，计算追踪其 4 天的 瑞士国土面积 4.1 万平方千米，人口 866.7 万人，和我国 运行，并以此计算每 3 小时的源敏感系数，再利用同化算法获 地级市的面积及人口相当，因此瑞士的国家温室气体监测体系 得其排放。如图 12 和图 13，自上而下法获得 CH4 和 N2O 结果 对