基于地基观测的城市社区碳排放监测研究

朱勇，储美华

（1.扬州市职业大学，江苏扬州 321009； 2.上海盛图遥感工程技术有限公司，上海 201803）

基于地基观测的城市社区碳排放监测研究

朱勇1*，储美华2

（1.扬州市职业大学，江苏扬州 321009； 2.上海盛图遥感工程技术有限公司，上海 201803）

针对城市居民生活社区二氧化碳来源的分析，建立基于地基的碳排量监测站，将监测二氧化碳浓度数据和相应的气象条件紧密联系在一起，并通过对碳源的合理性分析，运用科学合理的解释，得出城市社区二氧化碳排放规律，

初步掌握基于地基的城市社区二氧化碳监测方法以及所研究区域的地理位置和大气环境与二氧化碳排量的关系，为城市碳排量监测以及低碳城市建设提供参考依据。

二氧化碳；城市社区；监测；低碳

1　引 言

作为温室气体重要组成之一的二氧化碳其排放量在过去几十年里大幅增长，如果不采取预防措施，至本世纪末地球温度将比工业化前升高4℃，因此减少二氧化碳排放量，控制气候变化迫在眉睫。我国目前的二氧化碳年排放量约为80亿吨，占全球25%，是世界最大的碳排放国。随着我国国民经济的发展，今后仍将持续增加，能否抑制增量以及以多大的排放量达到顶峰，将影响今后全世界的减排努力。2014年12月，我国政府在秘鲁首都利马举行的《联合国气候变化框架公约》第20次缔约方会议时表示:2016年～2020年我国将把每年的二氧化碳排放量控制在100亿吨以下。为达到这一目标，低碳城市建设已成为我国在全球气候变化背景下的重要发展战略，城市碳排量监测和碳排量目标制定必要的前期工作。作为城市热岛效应重要区域的城市社区，在低碳城市建设过程中有着举足轻重的作用，因此对于如何较全面的监测社区碳排放量，是近年来城市低碳相关研究学者关心的问题之一。

本文以苏州市居住社区——星韵花园碳排放监测为例，探讨了居住社区碳排量的监测方法，希望能够为我国低碳城市建设推进提供借鉴。

2　碳排放监测

2.1监测区域概况

苏州市星韵花园位于苏州新区横山路30号，滨河路与横山路交界处，作为苏州新区首个拆迁安置样板房于2012年建成。小区内部共有5幢居民楼，总的建筑面积约为8 000 m2，小区周边配套设施齐全，设置有文体活动中心、卫生所、药店、银行、邮政、超市、餐饮等服务功能。小区东北面为苏州紫兴纸业有限公司（滨河路与竹园路交叉口东北），该公司内部自备有发电厂且日常生产正常运转，如图1所示。

图1　苏州市星韵花园位置

2.2监测布点方案

为了监测小区及周边不同碳源排放情况及排放特征，首先对小区碳源进行分析:

（1）该小区位于横山路以北，其主出入口毗邻横山路，由于横山路经常有车辆来往，同时小区内车辆出入多从该出入口经过，因此在出入口处由于车辆尾气排放所造成的碳排放量为该区域的主要碳源。

（2）小区内有居民户外活动广场，由于该小区为拆迁安置小区，活动广场除了平时用于居民户外活动外，还可能在某一时间段内用于小区居民红白宴席，人为活动频繁，因此该区域由人为活动所造成的碳排放为主要碳源。

（3）小区东北面的苏州紫兴纸业有限公司，其内部自备发电厂的大烟囱几乎24 h冒烟，排放的工业废气会随着风向扩散至该小区上空，从而成为这一区域内主要的工业碳源。

鉴于以上分析，我们对该小区设置了3个监测点，获取的直接观测值均为实时二氧化碳浓度，实现对碳排量进行定点监测。

①1号监测点位于小区主入口处，主要监测碳源是城市交通。

②2号监测点位于小区中心的活动广场处，主要监测碳源是小区内的人为活动。

③3号监测点位于小区4号楼的楼顶，主要监测碳源是发电厂排放的工业废气以及周围环境的影响。

小区及其内部的监测点位分布情况如图2所示。

图2　星韵小区内监测点布置图

2.3监测数据分析

为了尽可能降低外部环境条件对地基观测数据产生的干扰，因此选择同风向、同大气稳定度等级条件下的地基数据进行该区域内二氧化碳排放规律的研究。本文研究所用的地基观测数据的日期以及相对应的气象信息如表1所示:

研究所使用的数据日期以及相应的气象数据信息　表1

2.3.11号监测点数据分析

1号监测点布设在小区出入口，紧邻横山路，该处主要监测出入小区及过往车辆尾气排放出的二氧化碳。为证实分析结果的正确性，本次研究选取了表1中的日期进行数据分析对比，并做出这些天内二氧化碳浓度值随时间序列变化的走势图，结果如图3所示:

图3　1号监测点二氧化碳浓度变化曲线

从图3可以看出，1号监测点每天二氧化碳浓度大致变化趋势是:

①每天6:10～8:10达到最大，随后开始减弱，至下午14:00左右达到最小，接着又开始回升，18:00左右数值又开始较大。

②4月4日在18:00后二氧化碳浓度开始减弱，而在其他日期里18:00后浓度并未减弱反而持续增大。

分析其原因:

①1号监测点在小区出入口处并靠近横山路，每天6:00起车流量开始增大，到8:00左右为上班的高峰，并且在这个时间段内出去小区的人数逐渐增多，此时车辆排放的二氧化碳浓度较大；到了中午时分街上车流量较少，且小区出入人数较少，此时监测到的二氧化碳浓度降低；到了下午5:00以后下班回家的人数逐渐增多，车流量开始增大，至18:00左右达到高峰，此时监测到的二氧化碳浓度逐渐增高。

②2012年4月4日为星期三且苏州此时天气尚未完全回暖，18:00后下班回家后晚间出来的人数并不很多，因此二氧化碳浓度在晚间开始减弱；5月5日和5月6日为星期六和星期天，且此时苏州的气候温暖很适合晚间出来游玩，因此监测到二氧化碳浓度在晚上也高居不下；随着时间推移，6月8日、7月2日和7月4日由于气候原因，晚上出来的人数逐渐增多，导致检测到二氧化碳浓度在夜间也较高。

2.3.22号监测点数据分析

2号监测点设置在小区中心活动广场处，主要监测由人为活动所引起的碳排量，同样选取表1中的日期进行数据分析，做出这些日期内二氧化碳浓度值随时间序列变化的走势图如图4所示:

图4　2号监测点二氧化碳浓度变化曲线

从图4可以看出，2号监测点每天二氧化碳浓度大致变化趋势是:

①每天上午9:00左右碳排量达到最大，随后开始减弱，至下午15:00左右达到最小，接着又开始回升。

②4月4日在19:00左右二氧化碳浓度开始减弱，而在其他日期里19:00后浓度并未减弱反而持续增大。

分析其原因:

①每天上午9:00左右是人为活动比较频繁的时间段，此时二氧化碳排量相对较多；随着时间推移，户外活动的人数逐渐减少，尤其进入夏季9:00以后气温逐渐升高，至下午15:00左右气温达到一天中的最高值，人为活动所引起的二氧化碳排量减少明显。

②4月4日19:00以后，由于这个时候苏州天色已经变黑，且室外气温不是很暖和，户外活动的人数此时较少，此时二氧化碳排量呈下降趋势；随着时间推移，进入五月份以后白天变长，且气温逐渐升高，晚间出来活动的人数逐渐增多，表现的结果就是二氧化碳排量明显增多。

③对于2号监测区域，社区内的人为活动为其最主要的碳源，但是在某些时间段内，由于广场人群密集度的下降或是受到风向等气象要素的影响，人为活动对于2号监测点的影响会大幅度削弱，此时由于点位周围大量绿色植被的存在，2号监测点将受植被光合作用和呼吸作用的共同影响。植被在经历一整晚的呼吸作用后，释放出大量的CO2，并在日出后太阳光线的光强达到光补偿点的这一刻，点位附近的CO2浓度达到最大值。之后，随着太阳光线光强的进一步增强，植被的光合速率将超过呼吸速率，即植被光合作用的CO2吸收量将超过其呼吸作用的CO2释放量，二氧化碳浓度走势开始下落。

2.3.33号监测点数据分析

3号监测点位于小区4号楼的楼顶，距离地面高度为100 m左右，所监测范围是典型的城市低空区域。城市低空环境虽然不如地面环境复杂，但是受城市地面碳源的影响以及对风向变化的敏感，再加之可能存在的城市低空碳源的影响，其二氧化碳浓度变化规律亦是复杂多变。

本小区周围有4条主要道路，分别为东面的滨河路、西面的黄浦街、南面的横山路以及北面的竹园路，路面上通过的车辆构成了城市交通碳源，是典型的城市地面碳源。另外，小区东北面的苏州紫兴纸业有限公司，其内部造纸厂的大烟囱是这一区域内存在的城市低空工业碳源。因此3号监测点主要监测碳源是小区周边道路所构成的城市交通碳源以及发电厂排放的工业废气所构成的城市低空碳源，经过定期（所选的时间段内，阴天大气相对于晴天稳定度好，夜间相对白天稳定度好）观测选取一定时间段内的碳排量分析，绘制二氧化碳排量变化趋势如图5所示:

3号监测点位于小区四号楼楼顶，主要监测东北边造纸厂内发电厂烟囱排放的二氧化碳，同时小区东边的滨河路和西边的黄埔街路面车辆尾气排放以及滨河路正在进行的城市轨道交通三号线的建设施工也构成了该监测点的碳源。从图5可以看出:

图5　3号监测点二氧化碳浓度变化曲线

①每天11:00～16:00二氧化碳排量相对减弱，主要是这个时间段避开上下班高峰，路上车流量较少。

②夜间由于太阳辐射较弱，大气比较稳定，此时湍流在低空区域内的作用并不显著，因此夜间低空区域内的二氧化碳浓度主要还是取决于地面碳源的强度。同时，由于此时的大气环境不利于扩散，发电厂烟囱24小时冒烟，因此二氧化碳会在低空积累，反映在走势图中则是夜间的二氧化碳浓度走势线的走势大体上是呈现缓慢上升的趋势。

③白天由于大气稳定度的不同，晴天和阴天的二氧化碳浓度走势线的走势存在较大的差异。晴天当太阳辐射增强后，大气环境逐渐变得活跃，大气湍流作用增强，此时低空环境中二氧化碳的浓度将在大气湍流的扩散作用下急剧下降，而阴天，由于白天总的稳定度等级与夜间相同，大气比较稳定，湍流作用并不显著，因此低空环境中的二氧化碳会缓慢积累，其浓度也一直呈现上升趋势。但是由于一天中太阳辐射的变化，当太阳辐射达到一天中的最大强度时，此时大气会变得相对比较活跃，因此在大气湍流作用下，二氧化碳经扩散后浓度在一段时间内会呈下降趋势。

综上所述，低空环境中二氧化碳浓度的变化规律除了与地面碳源相关外，受到大气稳定度等级的影响却是最关键的。

3　结 论

本文通过对苏州市星韵花园居民小区二氧化碳排量监测以及浓度变化的初步研究可得到以下结论:

（1）交通主干道的二氧化碳主要来自机动车排放。1号监测点数据分析得到明显说明。

（2）人为活动对碳排放影响大。从2号监测点的数据分析可议看到这一点，同时做区域性绿化可以有效改善碳排放量。

（3）工业碳源影响范围较大。通过3号监测点数据变化分析可明显看出城市社区除交通碳源影响外，工业二氧化碳排放经远距离及大气扩散后依旧影响较大，对小区居民生活的影响不容忽略。

（4）气象条件对碳排量有重要影响。3号监测点在不同气象条件下数据分析对比说明大气扩散模式变化对监测到的碳排量数据影响较大。然而不同尺度区域的碳循环系统碳排放变化与气象条件的关系等，还需要做进一步研究。

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Carbon Emissions Monitoring of Urban Community Based on Ground Observation

Zhu Yong1，Chu Meihua2
（1.Yangzhou Polytechnic College，Yangzhou 321009，China；2.Shanghai Shengtu remote sensing Engineering Technology Co.，Ltd，Shanghai 201803，China）

According to the analysis of the urban residents living community sources of carbon dioxide，the establishment based on the foundation of the carbon emissions monitoring station，monitoring carbon dioxide concentration data and corresponding meteorological conditions closely linked，and through the rational analysis of carbon source，the use of scientific and reasonable explanation，urban community carbon dioxide emissions rules，preliminary master based on foundation of urban community carbon dioxide monitoring method，as well as the study area location and atmospheric environment and carbon dioxide emissions，carbon emissions in cities monitoring and low-carbon urban construction provides reference basis.

carbon dioxide；urban community；monitoring；low carbon

1672-8262（2016）04-28-05

P208.2

B

2016—03—01

朱勇（1979—），男，讲师，主要从事《遥感原理与应用》、《摄影测量》等课程的教学以及的研究工作。

国家高技术研究发展计划（863计划）（2013AA122003）；江苏省高等职业院校高级访问工程师计划资助项目（FG115）