北京时间2015年11月30日—12月11日，第21届联合国气候大会在巴黎召开，来自195个国家和欧盟的代表聚首巴黎，旨在努力达成一项“全面、均衡、有力度”的协议，确立2020年以后全球应对气候变化的制度框架。

　　全球人为温室气体排放量不断升高，中科院早在2011年就启动了“应对气候变化的碳收支认证及相关问题”战略性先导科技专项（简称“碳专项”）,以期建立我国温室气体参数及排放的数据库。该数据库（排放清单）是气候模型构建、各国减排政策制定及国际谈判与博弈的重要基础。

历史回顾

　　1997年在日本京都召开的联合国气候变化框架公约第三次缔约方大会上所通过的《京都议定书》，要求对6种温室气体进行减排，包括：二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、氢氟碳化物、全氟碳化物和六氟化硫，其中对全球升温贡献百分比较大的温室气体主要为前三种。

　　20世纪70年代以来，西方国家率先开展对大气中CO₂、CH₄和N₂O等温室气体排放浓度和各国碳排放清单的研究工作。中国在相关领域的研究起步较晚，无论是学术上还是数据的系统性上与发达国家相比均存在较大的差距，我国在“十二五”期间由科技部部署了中国全球二氧化碳监测科学实验卫星（碳卫星，TanSat）的研制，并初步定于2016年上半年发射升空。

　　近年来，中国的碳排放量因为体量大、增长快受到了全世界的广泛关注，这使中国承受着越来越多的国际压力。目前为止，中国政府以政府间气候变化专业委员会向联合国提交了1994年份和2005年份的温室气体清单。但自2005年以来，中国的产业不断调整、技术不断更迭，这给温室气体清单的研究带来了更多的不确定性。显然，在对全球变暖、应对气候变化的空前关注和国际谈判的持续推进下，近10年中国碳排放清单的空白，无法使我国决策者及时了解我国碳排放最新状况，从而失去我国在国际气候谈判中的话语权。建立和完善温室气体排放统计制度既是我国有效履行国际义务的迫切需要，也是我国在应对气候变化国际谈判上赢得主动的重要保障。

　　2011年中科院启动了战略性先导科技专项“应对气候变化的碳收支认证及相关问题”（简称“碳专项”），专项设置了5个任务群，第一个任务群为“排放清单任务群”。该任务群基于我国能源、自然过程和土地利用及畜牧业等的特点，测算我国特有的排放因子参数，构建我国碳排放核算方法和卫星监测系统，形成国际认可的天地一体化的碳排放核算与监测体系及能力，为我国温室气体排放的科学、系统的统计核算工作提供科学保障，为不断探索中国可持续发展之路提供战略引导，也为健全中国的碳排放交易试点及建立全国碳排放交易市场提供重要的科学基础。该任务群共包含4个项目。

碳专项已取得的研究成果
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项目1：能源消费与水泥生产过程排放

以中国权威统计数据为基础，通过调研和数据采集，测算出我国能源种类的损失量，进而获得各能源种类的消费量数据；同时，通过大量的数据分析和统计回归，获得我国单位燃料的碳含量以及能源种类发热量；依据我国不同能源一次利用的主要行业，对不同技术、不同规模、不同区域的企业进行抽样数据采集和分析，获得不同行业的碳氧化因子，并得到我国不同行业的能源消费种类、消费量和CO₂实际排放量；对不同利用行业集成得到我国不同能源种类的消费量和氧化因子，并进一步得到我国不同能源种类的CO₂排放总量；构建形成我国能源利用和水泥生产的总数据库，并形成可视化的系统。

研究进展 ↓

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　　（1）通过对我国煤炭在运输和洗选过程中的物理损失详细调研，得到了我国煤炭在洗选过程中的损失量占我国煤炭产量的1.8%左右。

发现中国煤的碳含量比IPCC推荐值低约40%，油品和燃气类的碳含量与IPCC推荐值相近。

　　（2）调研和检测企业2000余家，形成了大量的数据，得到了若干行业的碳氧化因子，结果表明，中国化石能源的碳氧化因子与IPCC推荐值1存在较大的差距。

　　（3）建立了完备的中国能源利用和水泥生产的可视化数据库系统，为未来数据的可追溯和透明度提供了科学基础。

　　（4）利用已经取得的关键数据参数，2015年8月20日项目研究团队联合哈佛大学、清华大学等24所国内外科研机构组成的科研团队在Nature上发表了题为“中国化石燃料与水泥生产碳排放核算修正”（Reducedcarbon emission estimates from fossilfuel combustion and cement production inChina）的研究论文。首次核算了基于实测排放因子的中国碳排放总量，结果表明，中国2013年碳排放总量比先前估计低约15%，重新核算后的中国碳排放在2000—2013年间比国外机构估计少106亿吨CO₂，是《京都议定书》框架下具有强制减排义务的西方发达国家自1994年以来实际减排量的近百倍。

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项目2：土地利用与畜牧业的甲烷和氧化亚氮排放

制订箱法测定土地利用CH₄和N₂O排放通量的技术规范和数据质量控制规范，依托生态站，定时采样测定森林（长白山、神农架、西双版纳）、草地（呼伦贝尔、海北、纳木错）、湿地（山东黄河口、江苏滨海、太湖、三峡消落带）和垃圾填埋场（北京阿苏卫、南京轿子山、厦门东部、东孚）的CH₄和N₂O排放通量；结合文献资料，研发我国土地利用CH₄和N₂O排放的过程和经验模型，为国家编制土地利用的CH₄和N₂O排放清单提供估算模型；根据项目建立的土地利用CH₄和N₂O排放模型和排放量清单编制指南，设定减排情景，评估各种减排措施的减排潜力；选择奶牛、肉牛、水牛、山羊和绵羊为研究对象，测定反刍动物瘤胃肠道CH₄排放量及畜禽排泄物工厂化堆肥过程中CH₄和N₂O排放量；研究影响反刍动物瘤胃肠道CH₄排放量和堆肥过程中CH₄和N₂O排放量的主要因素；结合文献资料，提出我国反刍动物瘤胃肠道CH₄排放和畜禽排泄物堆肥过程中的CH₄和N₂O排放因子，为国家编制相应的CH₄和N₂O排放清单提供参数，提出减少畜禽CH₄和N₂O排放的对策措施。

研究进展 ↓

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　　（1）完成了牛、羊等反刍动物瘤胃肠道CH₄排放及北京、南京和广州畜禽排泄物堆肥化过程中CH₄和N₂O排放量的测定，建成了相应的数据库。

　　（2）建立了我国农田、森林、草地和湿地CH₄和N₂O排放模型，并用建立的模型估算了我国农田、森林、草地和湿地CH₄和N₂O排放量，如下表。

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项目3：自然过程碳排放

通过对煤炭开发、煤田自燃和石油天然气开发过程所产生的CH₄和CO₂等温室气体，以及海洋（近海与海岸带）碳排放和干旱区无机碳汇的全面调研和系统研究，确定科学合理的、能准确反映煤、油气开发和煤田自燃等过程中碳排放量的计算方法，获取我国近海固碳速率，揭示海岸带生态系统碳排放过程，阐明中国广义干旱/盐碱地区无机碳汇强度，最终获得我国自然过程较为准确的碳排放数据，为我国大气碳收支综合评价和外交谈判提供基础数据和科学依据。

研究进展 ↓

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　　（1）根据我国煤层赋存地质条件和煤炭开发实际情况，对我国煤炭开发碳排放进行了分区计算，创新性地构建了基于煤层瓦斯含量的碳排放计算模型和方法。

　　（2）建立了煤田自燃碳排放量计算模型，包括烧失煤量估算法、燃烧面积估算法、煤炭产量估算法。

　　（3）首次对我国油气开发过程中温室气体排放状况进行了实地检测和计算，建立了适合我国油气开发特点的碳排放计算方法，计算结果比IPCC方法低一个数量级。

　　（4）发现近年来近海固碳速率呈现升高的趋势，黄东海在全年尺度上整体表现为大气CO₂的汇，潮滩湿地全年整体表现为CO₂的源和CH₄较弱的吸收汇。浮游植物光合特性和营养盐水平，表层海水温度、浮游植物活动和水团的交换混合分别是控制浮游植物固碳速率和海气界面CO₂源汇变化的关键因素，人为的氮磷输入对不同植被类型湿地CO₂的累计排放量影响显著。

　　（5）提出干旱区的确存在一个未被认识的无机碳汇，存在于荒漠区地下咸水层。也就是说，向下的CO₂通量不在植物中，也不在土壤中，而在其之下的荒漠地下咸水层。

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项目4：自然过程碳排放

针对卫星定量监测全球温室气体排放的需求，完成碳监测卫星短波红外超高光谱载荷的方案设计、掌握载荷研制的关键技术和地基验证仪器的关键技术；建立温室气体卫星遥感正演模拟系统和反演系统，完成卫星资料的地基验证系统和数据同化和资料处理系统。构成天地一体化的大气碳浓度的定量遥感监测系统，基于国内和国际卫星观测数据，结合地基验证资料，运用综合的反演和资料同化方法实现区域尺度卫星遥感大气低层CO₂平均（500km×500km）浓度的精度优于4ppm。在此基础上，发展综合卫星遥感-大气反演-陆气同化计算碳源汇的理论与方法，阐明我国不同区域主要温室气体排放源分布及强度的时空变异特征。  

研究进展 ↓

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（1）星载高光谱探测方面。重点突破精细光谱获取光学技术和自主研发的短波红外面阵探测器技术，研制短波红外高光谱探测原理样机；突破短波红外高灵敏度探测器技术，提高器件响应量子效率及均匀性，完成短波红外焦平面探测器样片的综合测试,经测试探测器暗电流密度由100nA/cm²提高到10nA/cm²的世界先进水平;在地基验证仪器研制方面，研发高灵敏温室气体监测技术设备、开放光路区域温室气体探测和机载CO₂垂直廓线探测技术与设备，建立地面探测CO₂的激光技术与监测验证系统，并开展区域碳通量应用示范。

（2）CO₂卫星遥感反演方算方面取得突破性进展。研发具有自主知识产权的短波红外大气CO₂浓度反演方法，建立反演系统软件；使用日本GOSAT卫星观测数据进行反演试验并利用地基TOCCN验证资料进行验证，反演精度达到国际先进水平（偏差：1.9ppm；0.5%）；针对中国二氧化碳科学试验卫星（TanSat）的高分辨率光谱仪的关键指标进行了深入论证，提出了光谱分辨率、光谱范围和采样率的最优方案并且应用到光谱仪研制中，为提高观测精度奠定理论基础。

（3）建立了高塔站（北京325米气象塔）、3个地面站（山东禹城、甘肃敦煌、海南琼海）和一个流动观测站组成的碳卫星地面验证观测系统。开展了连续3年的观测试验，获得了包括地面CO₂浓度、平均风、温、湿、三维脉动风速/温度、云参数、气溶胶光学参数等观测数据和高塔垂直观测数据，优化了数据反演算法、数据质量控制和检验方法，为将来验证碳卫星奠定数据基础。

（4）CO₂浓度和碳源汇同化方面。建立并优化了多源CO₂数据融合方法，生产了全球连续周步长相关数据集；建立了全球CO₂同化系统，并对中国区域碳源汇结果做了初步分析；发展了集合卡尔曼滤波（En-KF）的高分辨率区域尺度的CO₂同化系统。

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研究展望

　　通过5年近500位科学家的努力，在中科院战略性先导专项“应对气候变化碳收支认证及相关问题”的支持下，已经形成了我国能源、自然过程和土地利用及畜牧业等领域的温室气体排放的基础参数和适合我国国情特点的核算方法，截至目前已经发表科学论文400余篇，为我国科学系统地构建温室气体排放清单提供了坚实的科学基础，并得到了国内外同行的广泛认可。同时，针对我国即将发射的碳卫星，提供了反演算法和同化系统，初步形成了国际认可的天地一体化的碳排放核算和监测体系及能力。

　　我国目前正处于能源结构和产业转型升级的快速转变时期，上述研究获得的关键基础参数会随着我国产业结构的调整和升级不断的变化，为了准确获得未来我国温室气体的排放数据，建议在目前形成的参数数据库基础上，不断实时检测、监测和更新，将我国温室气体排放清单工作常态化。

　　在2015年10月份的《中美气候变化联合声明》中，我国政府已经宣布了我国将在2017年全面实施碳交易制度，希望在“碳专项”形成数据库的基础上，尽快形成各种行业和技术类型的碳排放核算标准，为我国碳交易制度的实施提供科学的方法。同时，依据不同区域、不同行业、不同技术的碳排放状况，尽快分析形成我国产业结构转型和升级的减排潜力和减排成本，为我国节能减排政策的实施提供可靠的科学依据。

　　此外，碳专项排放清单任务群只关注了二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）3种温室气体的排放，对于氢氟碳化物（HFCs）、全氟碳化物（PFCs）及六氟化硫（SF₆）并未涉及，实际上我国后3种温室气体的排放在全球中占有一定的份额，建议今后要加强这方面的研究。

　　随着国外嗅碳卫星技术的不断发展，未来嗅碳卫星监测温室气体的排放精度将大幅度提高，近两年来，国际科学界开始尝试将排放源的检测、地面观测站的观测、航飞的监测和碳卫星的监测形成不同尺度和不同层面的天地一体化的温室气体核算网络，特别是2014年，美国国家标准计量局和美国国家航空航天局已经部署了"大城市群碳排放"的研发计划，应引起我国的高度重视。

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原文发表于《中国科学院院刊》2015年第6期

作者：魏伟 任小波 蔡祖聪 侯泉林 刘毅 李青青

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