楊 飛，王嘉鑫，田 紅，周 濤

（1.西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川 成都 611756；2.成都機(jī)動車環(huán)保技術(shù)有限公司國家環(huán)境保護(hù)機(jī)動車污染控制與模擬重點實驗室（成都基地），四川 成都 610100；3.重慶市交通規(guī)劃研究院，重慶 401147）

0 引言

交通運(yùn)輸行業(yè)是碳排放的重要來源，推動交通行業(yè)低碳化轉(zhuǎn)型具有重要意義。我國正在積極推進(jìn)交通運(yùn)輸行業(yè)減碳降排相關(guān)工作。2021年10月《中共中央國務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作意見》發(fā)布，明確提出“加快推進(jìn)低碳交通運(yùn)輸體系建設(shè)”“加強(qiáng)二氧化碳排放統(tǒng)計核算能力建設(shè)，提升信息化實測水平”[1]。在中央政策的指導(dǎo)下，全國各省市紛紛制定相應(yīng)的減排規(guī)劃和政策，落實推進(jìn)碳達(dá)峰、碳中和工作。公路交通是我國交通碳排放的主體，準(zhǔn)確掌握公路交通碳排放水平對落實推進(jìn)“雙碳”戰(zhàn)略，制定綠色交通發(fā)展策略具有重要意義。

現(xiàn)階段，我國公路交通運(yùn)輸?shù)奶寂欧趴偭繙y算主要采用基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)的核算法與基于排放模型或?qū)崪y數(shù)據(jù)的計算法?；诮y(tǒng)計數(shù)據(jù)的核算法有：聶華偉[2]采用能源消耗數(shù)據(jù)，自上而下地對貴州省道路客運(yùn)交通運(yùn)輸碳排放進(jìn)行了核算，并提出了貴州省道路交通運(yùn)輸碳排放清單；陳誠等[3]采用投入產(chǎn)出法與過程分析法對福建省道路運(yùn)輸碳排放量進(jìn)行了測算，并比較了兩種方法的特點，等等?；谂欧拍Ｐ突?qū)崪y數(shù)據(jù)的碳排放計算主要通過構(gòu)建具有本地化特征的碳排放計算模型、數(shù)據(jù)庫，并結(jié)合交通運(yùn)行等數(shù)據(jù)計算不同尺度的交通碳排放量，如：孫健等[4]使用監(jiān)測設(shè)備記錄了機(jī)動車不同行駛特征下的碳排放數(shù)據(jù)，基于監(jiān)測結(jié)果標(biāo)定了機(jī)動車排放模型（Motor Vehicle Emission Simulator,MOVES），并逐層分析了微觀、中觀、宏觀三個時空尺度的碳排放量。除碳排放總量測算外，部分學(xué)者還對道路交通碳排放的時空分布特征進(jìn)行了分析，如：高潔[5]和范育潔[6]均使用能源消耗數(shù)據(jù)測算了我國不同區(qū)域、各省交通運(yùn)輸?shù)奶寂欧艜r空特征?？傮w來看，核算法數(shù)據(jù)獲取難度低，計算便捷，但對細(xì)分層次的碳排放核算效果有限；模型法本地化程度高，計算精度高，但對數(shù)據(jù)要求也較高。

近年來，碳排放監(jiān)測憑借其數(shù)據(jù)動態(tài)連續(xù)、實時、準(zhǔn)確的優(yōu)勢，在控制溫室氣體排放領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。美國與歐盟在碳排放監(jiān)測領(lǐng)域起步較早，其主要使用煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（Continuous Emission Monitoring System,CEMS）對能源企業(yè)碳排放進(jìn)行監(jiān)測。2021 年我國生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《碳監(jiān)測評估試點工作方案》，提出對五大重點行業(yè)、城市溫室氣體及區(qū)域溫室氣體進(jìn)行試點監(jiān)測。碳排放監(jiān)測相較于核算法和模型法，具有數(shù)據(jù)獲取便捷、數(shù)據(jù)可信度高等優(yōu)勢，現(xiàn)階段主要應(yīng)用在能源、鋼鐵、廢棄物處理等行業(yè)，而交通運(yùn)輸活動的碳排放源較為分散，因此碳排放監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用存在難度，需進(jìn)一步研究和探索。

綜上所述，當(dāng)前對于道路運(yùn)輸碳排放量的研究已具備一定基礎(chǔ)，但其成果主要集中在排放總量的測算上，而對道路運(yùn)輸碳排放時空分布的研究相對較少，且主要集中在區(qū)域、省際層面，對于城市群內(nèi)部公路通道等更微觀層面的碳排放時空特征研究得不多。為探索公路交通的碳排放測算方法，實現(xiàn)公路交通碳排放的精細(xì)化測算，本文將對如何構(gòu)建適用于我國公路交通網(wǎng)的碳排監(jiān)測體系進(jìn)行探討，分析構(gòu)建交通碳排放監(jiān)測體系的關(guān)鍵影響因素，并展望其應(yīng)用場景。

1 “雙碳”戰(zhàn)略背景下的交通碳排放監(jiān)測需求

1.1 交通碳排放總量

據(jù)國際能源署（International Energy Agency,IEA）統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國交通運(yùn)輸業(yè)2019 年CO2排放量為901MT，僅次于電力與供暖行業(yè)及工業(yè)，如圖1 所示。同時，公路運(yùn)輸客貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量大，能源消耗量高[7]，是交通領(lǐng)域碳排放的重要來源。各運(yùn)輸方式客貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量如表1所示。

圖1 1990—2019年我國各行業(yè)CO2排放量

表1 2020年我國各運(yùn)輸方式客貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量

現(xiàn)有研究表明，我國貨運(yùn)運(yùn)輸結(jié)構(gòu)存在較大優(yōu)化空間，推動“公路轉(zhuǎn)鐵路”“公路轉(zhuǎn)多式聯(lián)運(yùn)”等運(yùn)輸結(jié)構(gòu)調(diào)整將是我國未來發(fā)展低碳交通的重要方向[8-10]，有必要開展針對公路低碳轉(zhuǎn)型評估的研究。

1.2 交通碳排放核算法

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095—2012），環(huán)境空氣污染物監(jiān)測項目不含CO2[11]，因此現(xiàn)階段的大氣環(huán)境監(jiān)測工作不包含CO2監(jiān)測，只有部分重點行業(yè)（如火力發(fā)電）會開展CO2排放監(jiān)測。交通運(yùn)輸領(lǐng)域的碳排放量主要通過自上而下和自下而上的核算法進(jìn)行評估，如：任紀(jì)佼等[12]基于能源消耗量、機(jī)動車保有量等數(shù)據(jù)對天津市交通碳排放量進(jìn)行了核算，結(jié)果如圖2所示。

圖2 2006—2012年天津市交通碳排放量核算結(jié)果[12]

自上而下法是通過能源消耗總量對碳排放量進(jìn)行核算。根據(jù)權(quán)威部門公布的能源消耗數(shù)據(jù)，計算出每類燃料消耗產(chǎn)生的碳排放總量，將每種燃料消耗產(chǎn)生的碳排量匯總即可得到全行業(yè)碳排放量，計算方法如式（1）所示。在我國，自上而下法通常采用國家統(tǒng)計局、國家能源局公布的交通、郵電、倉儲行業(yè)燃料消耗數(shù)據(jù)進(jìn)行碳排放核算。但國家統(tǒng)計局公布的燃料消耗量通常是行業(yè)總量，難以進(jìn)一步細(xì)化分類。

式（1）中：Q為CO2排放總量；Hi為每種能源消耗的總量；δi為每種燃料的排放因子。

自下而上法則是以機(jī)動車行駛里程為基礎(chǔ)進(jìn)行排放核算。根據(jù)各級統(tǒng)計機(jī)構(gòu)發(fā)布的客貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量以及對應(yīng)的排放因子，可計算出交通運(yùn)行階段產(chǎn)生的碳排放總量，計算方法如式（2）所示。受限于出行數(shù)據(jù)與排放因子的獲取，自下而上法的精度相對較低。一是統(tǒng)計部門發(fā)布的為周轉(zhuǎn)量數(shù)據(jù)，提供的參考有限；二是各類車型在不同工況、路況條件下的排放因子存在差異，但實際計算時往往采用統(tǒng)一的排放因子，在大范圍計算時會產(chǎn)生較大的誤差。

式（2）中：Q為CO2排放總量；Si為每種運(yùn)輸方式的行駛總里程；θi為每種運(yùn)輸方式的排放因子。

核算法是現(xiàn)階段計算碳排放量的常用方法，其計算便捷，適用于大多數(shù)場景。自上而下核算法被聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC）和我國生態(tài)環(huán)境部所采用。但核算法極度依賴能源消耗及客貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其統(tǒng)計周期、應(yīng)用場景具有一定的局限性。

1.3 交通碳排放監(jiān)測法

碳排放監(jiān)測法是指通過專業(yè)設(shè)備對大氣中的實時碳濃度進(jìn)行監(jiān)測，并通過計算獲得監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的碳排放水平。相較于核算法，監(jiān)測法具有實時、靈活、直觀的優(yōu)勢，能夠反映中短周期內(nèi)的碳濃度變化趨勢，同時由于其無需依靠能源消耗與客貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量等統(tǒng)計數(shù)據(jù)，因此可實現(xiàn)連續(xù)滾動的碳排放監(jiān)測，動態(tài)表征監(jiān)測區(qū)域的交通碳排放水平。

相較于國外眾多已實現(xiàn)碳達(dá)峰的發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體，我國正處于生產(chǎn)建設(shè)持續(xù)發(fā)展、交通需求持續(xù)增長同時又要兼顧降碳減排的復(fù)雜階段：一方面出行需求不斷增加，另一方面又亟需控制交通碳排放總量。我國提出的“2030 年碳達(dá)峰”戰(zhàn)略目標(biāo)，任務(wù)周期相對較短，各類低碳政策評估的時效性、有效性極為重要。對交通運(yùn)輸行業(yè)而言，碳排放核算法統(tǒng)計周期較長且細(xì)分場景下的排放量難以核算，因此需要碳排放監(jiān)測體系加以補(bǔ)充完善。

1.4 公路交通碳排放監(jiān)測需求

我國公路交通網(wǎng)絡(luò)龐大，所處地形、氣候環(huán)境復(fù)雜多樣，影響碳監(jiān)測的因素眾多，有必要開展針對性的研究。現(xiàn)階段環(huán)境監(jiān)測站點主要設(shè)置在城市范圍內(nèi)，相關(guān)研究實踐也主要集中在城市層面[4,13-15]，但公路環(huán)境與城市環(huán)境在車流特征、地形地貌、氣候條件等方面差異顯著，交通排放在大氣中的擴(kuò)散、傳輸過程也不盡相同，無法將城市環(huán)境監(jiān)測體系直接移植到公路上。國外對公路交通排放監(jiān)測開展了一些實踐，如新西蘭多年來持續(xù)開展公路NO2排放監(jiān)測工作，其發(fā)布的《環(huán)境空氣質(zhì)量（NO2）監(jiān)測網(wǎng)操作指南》列舉了公路環(huán)境空氣監(jiān)測不同類型站點的布設(shè)原則[16]，如表2所示。但受限于國內(nèi)外經(jīng)濟(jì)、交通發(fā)展階段不同，以及污染物與碳排放監(jiān)測的差異，其對我國構(gòu)建公路網(wǎng)碳排放監(jiān)測體系的參考價值有限。

表2 新西蘭高速公路環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)不同類型站點的布設(shè)原則

環(huán)境監(jiān)測的項目為SO2,NO2等空氣污染物，有健康危害性及明確的受體，故在站點布設(shè)時會重點考慮受體與污染源的相對位置，如：我國《環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點位布設(shè)技術(shù)規(guī)范》（HJ 664—2013）中規(guī)定，路邊監(jiān)測點應(yīng)布設(shè)在能反映人們?nèi)粘Ｉ詈突顒訄鏊惺艿缆方煌ㄎ廴驹磁欧庞绊懙牡缆穬膳约捌涓浇鼌^(qū)域[17]；英國在布設(shè)道路監(jiān)測點時也充分考慮尾氣擴(kuò)散與人的相對高度，將監(jiān)測儀器設(shè)置在停車線上游5m，距地面1.5m 處[18]。相比之下，碳排放監(jiān)測則側(cè)重于對整體排放量的把握，需要盡可能地反映監(jiān)測目標(biāo)的碳排放水平，與環(huán)境監(jiān)測存在一定差異。除此之外，近年來衛(wèi)星、遙感技術(shù)也開始應(yīng)用于碳排放監(jiān)測，如美國的OCO-2 碳監(jiān)測衛(wèi)星、日本的GOSAT溫室氣體觀測衛(wèi)星。2016年我國發(fā)射了首顆碳衛(wèi)星TanSat，其觀測數(shù)據(jù)已應(yīng)用在全球碳循環(huán)研究、生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測等多個領(lǐng)域。但對固定區(qū)域的碳排放連續(xù)監(jiān)測，需要衛(wèi)星變軌追蹤監(jiān)測，成本較高。因此，對于公路交通的碳排放監(jiān)測，有必要探索一套經(jīng)濟(jì)有效、適用于我國公路交通網(wǎng)環(huán)境的監(jiān)測體系。

2 公路交通網(wǎng)碳排放監(jiān)測體系構(gòu)建關(guān)鍵問題

為實現(xiàn)公路交通碳排放的有效監(jiān)測，應(yīng)準(zhǔn)確把握公路交通碳排放、碳擴(kuò)散規(guī)律，合理布設(shè)監(jiān)測體系。下面將從碳排放監(jiān)測影響因素、公路交通碳排放過程、監(jiān)測站點選取3個方面展開分析。

2.1 碳排放監(jiān)測影響因素分析

（1）車流量、車型組成

車流量會對交通碳排放產(chǎn)生重要影響，公路交通量越大，交通碳排放總量越高，故在設(shè)置監(jiān)測點位時，應(yīng)重點考慮路段流量，選擇交通量大、車流密集的路段布設(shè)。車型是影響碳排放的另一個重要因素，不同車型之間燃料消耗、碳排放速率差異較大，監(jiān)測點位布局需結(jié)合路段車流組成，重點監(jiān)測貨車等大排量車交通量較大的路段，如區(qū)域間主要貨運(yùn)廊道、工業(yè)區(qū)主要進(jìn)出通道等。

（2）行駛速度

行駛速度主要從兩個方面影響車輛碳排放：一是不同行駛工況下車輛碳排放水平不同，如怠速時排放速率高于正常行駛時，并且公路交通流車速與交通量之間存在關(guān)聯(lián)性，需綜合考慮行駛車速對碳排放的影響；二是行駛速度會對碳排放的時空分布產(chǎn)生影響，車隊以不同速度行駛時，公路單位長度上的碳排放率亦不相同。

（3）地形地貌

公路所處地形地貌環(huán)境是影響公路交通碳排放擴(kuò)散的重要因素。當(dāng)公路位于平原時，公路兩側(cè)遮擋物較少，排放出的碳更容易橫向擴(kuò)散，而當(dāng)公路位于山區(qū)時，其側(cè)方往往存在遮擋物，不利于碳擴(kuò)散。碳以尾氣的形式從機(jī)動車排放到大氣中，之后將以氣體形態(tài)在空氣中擴(kuò)散，而監(jiān)測站所監(jiān)測到的濃度是站點所在點位的碳濃度，因此碳在大氣中的擴(kuò)散模式會對碳監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。類比污染物監(jiān)測站點布設(shè)方法，碳排放監(jiān)測站點應(yīng)布設(shè)在最能表征區(qū)域內(nèi)典型碳濃度的位置。因此在進(jìn)行站點布設(shè)時，需要重點考慮地形環(huán)境對碳擴(kuò)散模式的影響。

（4）環(huán)境條件

環(huán)境條件包括監(jiān)測時的天氣、風(fēng)向、濕度等因素，這些因素通過影響碳在大氣中的擴(kuò)散模式而對監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生影響。進(jìn)行監(jiān)測站點布設(shè)時，需要充分考慮環(huán)境因素并加以利用，如：將站點布置在區(qū)域主要風(fēng)向的下風(fēng)側(cè)，避免在氣候變化頻繁區(qū)域設(shè)點，等等。

2.2 交通流-碳排放集成仿真分析

真實環(huán)境中碳排放、擴(kuò)散的機(jī)理和模式較為復(fù)雜，無法完全在現(xiàn)實環(huán)境中開展監(jiān)測分析，故應(yīng)結(jié)合計算機(jī)仿真技術(shù)，使用融合交通與環(huán)境的仿真分析方法，對典型場景下的公路交通碳排放、擴(kuò)散模式展開分析。

交通碳排放包含碳排放與碳擴(kuò)散兩個過程，分別對應(yīng)公路交通流仿真與碳排放擴(kuò)散仿真。其中，公路交通流仿真模擬運(yùn)行交通流特征，包含軌跡、速度、車型等，通過構(gòu)建機(jī)動車碳排放模型可計算出機(jī)動車單點碳排放量。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用碳擴(kuò)散仿真模型，模擬碳在大氣環(huán)境中的擴(kuò)散模式，并獲取不同目標(biāo)點位的碳濃度。最后，按照時間、空間進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總劃分。交通流-碳排放仿真分析架構(gòu)如圖3所示。

圖3 交通流-碳排放仿真分析構(gòu)架

2.3 公路交通碳排放監(jiān)測點位選擇

監(jiān)測站選點布局是構(gòu)建碳排放監(jiān)測體系的關(guān)鍵，其布局選址應(yīng)充分考慮碳排放量與碳擴(kuò)散模式兩大因素，一方面從公路交通量、車型分布、運(yùn)行特征等方面分析路段碳排放總量，另一方面從公路地形環(huán)境、氣象環(huán)境條件分析碳在大氣中的擴(kuò)散模式，綜合考慮兩方面因素，確定選址布局方案。

2.3.1 監(jiān)測點路段選址

監(jiān)測點選址重點在于選取具有典型碳排放特征的路段，以充分反映監(jiān)測目標(biāo)的碳排放水平，如高交通量路段、易擁堵路段、工業(yè)區(qū)進(jìn)出通道等。監(jiān)測點位的選取應(yīng)充分結(jié)合多源大數(shù)據(jù)進(jìn)行流量、行程車速等特征提取，量化分析公路交通運(yùn)行特征，使用聚類等數(shù)據(jù)分析方法識別典型路段。同時，還需分析不同車型、不同工況下的排放特征，采用臺架測試、實際道路測試等方法測算機(jī)動車碳排放因子，進(jìn)而分析不同車輛組成下的碳排放特征，以支撐監(jiān)測點位選取。

2.3.2 監(jiān)測點路側(cè)選址

路側(cè)間距選擇是指確定監(jiān)測點位后，綜合考慮碳排放擴(kuò)散、電力供應(yīng)、地形地貌等因素，確定監(jiān)測站點在公路周圍的具體位置。需運(yùn)用與交通、環(huán)境相關(guān)的學(xué)科知識，采用實地監(jiān)測、風(fēng)洞實驗、數(shù)值模擬等方法分析公路線源排放特征，研究不同環(huán)境、不同車隊的碳排放擴(kuò)散規(guī)律，通過綜合分析，最終確定監(jiān)測站的具體點位，如圖4所示。

圖4 碳排放監(jiān)測點路側(cè)選址

3 公路交通網(wǎng)碳排放監(jiān)測體系的應(yīng)用前景

通過碳排放監(jiān)測體系可實現(xiàn)公路交通碳濃度的連續(xù)監(jiān)測，能夠直觀反映監(jiān)測區(qū)域碳排放的動態(tài)變化情況。結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)水平，本文對公路交通碳排放監(jiān)測的應(yīng)用場景進(jìn)行了展望。

現(xiàn)有CO2監(jiān)測設(shè)備可分為固定監(jiān)測設(shè)備與移動監(jiān)測設(shè)備，且部分環(huán)境污染物監(jiān)測設(shè)備也可實現(xiàn)對CO2濃度的監(jiān)測。因此，在站點布設(shè)時應(yīng)結(jié)合具體條件選用不同類型的設(shè)備，必要時也可與污染物監(jiān)測共站設(shè)置?；谔寂欧疟O(jiān)測數(shù)據(jù)，可類比城市交通擁堵指數(shù)，構(gòu)建公路交通碳排放指數(shù)，以反映公路交通整體碳排放強(qiáng)度。通過對監(jiān)測路段的長期監(jiān)測，獲取路段的碳排放平均水平，在實施減碳政策后，可根據(jù)碳排放監(jiān)測數(shù)值的變化對政策實施效果進(jìn)行評估，如圖5 所示。為實現(xiàn)公路交通碳排放的量化評估，可設(shè)置公路碳排放等級、碳排放變化率等細(xì)分指標(biāo)，以反映監(jiān)測對象碳排放的動態(tài)變化，為管理決策部門提供科學(xué)的量化數(shù)據(jù)支撐。同時，通過公路網(wǎng)交通碳排放監(jiān)測體系，可獲取不同區(qū)域、路段的交通碳排放時空分布數(shù)據(jù)，有助于管理部門掌握交通碳排放動態(tài)變化情況，把握交通碳排放薄弱環(huán)節(jié)，采取針對性的管控措施，實現(xiàn)低碳交通的精細(xì)化管理。

圖5 公路交通網(wǎng)碳監(jiān)測指標(biāo)應(yīng)用

4 結(jié)語

公路交通是我國交通碳排放的重要來源，掌握其碳排放特征對落實推進(jìn)“雙碳”戰(zhàn)略具有重要意義。碳排放監(jiān)測技術(shù)具有動態(tài)連續(xù)、數(shù)據(jù)可信度高等優(yōu)勢，但因交通碳排放源較為分散，其在交通領(lǐng)域的應(yīng)用存在一定難度，目前應(yīng)用程度不高。本文首先結(jié)合公路交通運(yùn)輸活動的碳排放測算需求，論述了碳排放監(jiān)測技術(shù)在公路交通領(lǐng)域的應(yīng)用價值，其次分析了交通量、地形地貌、氣候環(huán)境等因素對碳排放監(jiān)測的影響，最后展望了公路碳排放監(jiān)測體系的應(yīng)用場景。后續(xù)可對公路交通碳排放擴(kuò)散特征、碳排放指標(biāo)構(gòu)建等問題開展進(jìn)一步研究，以支撐碳排放監(jiān)測技術(shù)在交通領(lǐng)域的應(yīng)用推廣。