全球温室气体排放估算中空间降尺度方法的评估

《Earth's Future》：Assessment of Spatial Downscaling Used in Global Greenhouse Gas Emission Estimates

　　

精确的化石燃料CO₂（FFCO₂）排放估算对于跟踪减排进展和约束基于大气的排放估算至关重要。全球网格化排放数据通常利用空间代理对全国总排放进行降尺度处理。研究人员通过将最新发布的全球网格化FFCO₂清单（GRACED）与美国自下而上、高分辨率的估算数据（Vulcan）进行比较，来考察此类降尺度方法；后者已被证明与独立的基于大气的排放估算具有一致性。尽管分部门的国家总量相似，但在网格单元尺度上发现了显著差异（例如，总FFCO₂的网格单元尺度中位数相对差异为128.7%）。对降尺度方法的检查表明，居民/商业部门的网格单元尺度差异主要由GRACED使用人口空间代理所驱动，忽略了地表气温或建筑规模等其他驱动因素的空间影响。人口对于工业建筑排放而言也是一个欠佳的选择，因为工业建筑排放与铁路、海运枢纽等交通基础设施的相关性更好。将人口和道路长度用作道路FFCO₂排放的空间代理，无法反映城市与农村驾驶行为的差异。最后，由于CARMA电厂数据集与实测电厂CO₂排放不一致，不建议将其用作空间代理。先前一项将GRACED与欧洲高分辨率清单（CAMS-REG）进行比较的研究也发现了类似问题，表明GRACED在细尺度上的排放估算偏差具有一定的普遍性。聚合到较大的城市区域尺度可显著缩小GRACED与Vulcan之间的网格单元尺度差异，表明这是全球降尺度代理可用的更可行尺度。

全球温室气体排放估算中空间降尺度方法的评估——论文解读

研究背景方面，人类活动产生的温室气体排放中，化石燃料二氧化碳（FFCO₂）是最大贡献者，是全球气候变化的主要驱动力。精确的FFCO₂排放估算对于跟踪减排进展、约束基于大气的排放反演以及支持地方气候行动至关重要。随着城市、州和省参与减排，需要精细时空分辨率的排放数据。全球网格化排放清单通常通过空间降尺度（利用空间代理将国家总排放分配到网格）生成。然而，不同清单采用的数据源、方法和空间代理不同，其准确性需要评估。目前评估途径包括与大气反演比较和清单间相互比较。本文评估新发布的全球网格化FFCO₂排放清单GRACED（近实时全球网格化FFCO₂排放清单），将其与美国具有多年开发历史且已与大气Δ¹⁴CO₂反演结果一致的Vulcan 4.0清单（美国高分辨率FFCO₂排放清单）进行对比。

研究目的与意义方面，研究人员在2019—2021年，针对美国本土（CONUS，包括哥伦比亚特区）比较了GRACED与Vulcan的排放，重点分析国家、州、城市和网格单元尺度的差异，探究差异是否可归因于输入数据或方法差异，并提出改进建议。该研究发表在《Earth's Future》。

数据与方法方面，研究人员以美国本土为研究区域，将Vulcan 4.0与GRACED的2019—2021年可比部门排放进行对比。Vulcan基于美国环保署国家排放清单（NEI）、能源信息署（EIA）燃料消耗数据等，使用点、线、面矢量源估算排放，并聚合至0.1°×0.1°网格；GRACED以Carbon Monitor国家总量为约束，用EDGAR v5.0_FT2019的空间分布进行降尺度，涉及人口、道路长度、CARMA电厂数据等代理。比较采用总差异（TD）、总相对差异（TRD）、中位数差异（MD）、中位数相对差异（MRD）、中位数绝对差异（MAD）、绝对差异总和（SAD）及Pearson相关系数等指标，并区分城乡网格单元及城市区域聚合尺度。

研究结果部分，3.1 比较统计：全国尺度上，除电力部门外，GRACED的总排放高于Vulcan，工业部门差异最大（+23.0%），但都在Vulcan的95%置信区间内。部门排放份额相似，Vulcan中电力部门占比最大（37.0%），GRACED中道路部门占比最大（33.9%）。2020年排放因COVID下降，2021年回升，但均低于2019年。网格单元尺度差异巨大，总FFCO₂的中位数相对差异（MRD）为+128.7%，Pearson r为0.73，绝对差异总和达853.5 MtC。各部门MRD远超Vulcan网格单元尺度的95%置信区间。回归分析显示，居民/商业部门相关性强（r=0.82），但GRACED存在约0.1 tC的低排放阈值；工业部门相关性很弱（r=0.20），GRACED值集中在10—100 tC；道路部门相关性强（r=0.86）但回归斜率仅0.35，GRACED值域明显压缩；电力部门相关性较好（r=0.75），并能捕捉两类排放水平。

3.2 空间差异：两个数据集均显示城市中心和州际公路排放较高，但网格单元尺度差异图显示，Vulcan在西部农村排放较低，而GRACED在东部沿海和上中西部大城市排放较高。居民/商业部门，GRACED在大多数地区排放低于Vulcan，但在东南部、西南部和西海岸部分区域较高；工业部门，GRACED在西部一半地区和佛罗里达州大部分地区持续偏高；道路部门，GRACED在广大非城市地区偏高，在城市区域偏低；电力部门无清晰趋势。城乡统计表明，所有部门的城市MRD绝对值都小于农村，例如道路部门城市MRD为-63.2%，农村为+146.4%。将网格单元聚合到城市区域后，除居民/商业部门外，各部门MRD显著减小，总MRD从-10.0%（城市网格）变为-1.6%（城市区域）。进一步聚合到州尺度，电力部门MRD降至-0.6%。

讨论方面，道路部门的巨大网格差异源于GRACED使用人口×道路长度作为空间代理，而Vulcan基于MOVES模拟并考虑了交通量、车队特征和驾驶行为。城市和农村单位道路长度排放差异显著，人口与道路长度的组合无法反映这种差异。居民/商业部门差异可归因于GRACED仅使用人口代理，而Vulcan采用建筑楼面面积和能耗强度；年供暖度日（HDD）与相对差异显著相关，说明气温是重要驱动因素。工业部门使用人口代理使排放过度分散，有25717个网格单元Vulcan为零而GRACED非零，表明人口代理无法反映工业活动集中在交通枢纽的特征。电力部门差异源于CARMA v3.0数据集的排放为推断值且基准年为2007年，与实测电厂排放不一致；配对837家电厂后MRD为18.8%。据此提出建议：不应单独使用人口代理，应结合供暖度日或基础设施信息；道路排放应使用交通活动数据；避免使用CARMA作为代理。但研究仅限于美国，结论严格上适用于美国或高收入工业化国家。与欧洲CAMS-REG的比较发现了类似的空间偏差，暗示GRACED的细尺度偏差可能具有普遍性。GRACED未提供不确定性量化，限制了对差异的统计解释。

结论方面，FFCO₂排放的空间分布对政策制定和碳循环科学应用至关重要。本研究发现，GRACED与Vulcan在全国总量上一致，但网格单元尺度差异巨大且超出Vulcan的95%置信区间，城乡网格差异符号相反。城市区域聚合可显著改善差异，这主要源于GRACED定义的城乡网格混合导致的符号抵消。由于全球高分辨率活动数据有限，空间降尺度仍需要代理，但应在可获得更精细、更准确数据的地方使用这些数据，而不是在全球统一使用相同代理。高收入国家通常拥有公开的次国家级活动数据，此外可利用高分辨率可见光和红外遥感影像识别排放设施，从而更准确地实现排放的空间定位。