張少卿,雷莉萍,宋 豪,郭開元,吉張輝,繩夢(mèng)雅

一種基于大氣CO2濃度時(shí)空特征的碳排放分區(qū)估算方法

張少卿1,2,3,雷莉萍1,2*,宋 豪4,郭開元1,2,3,吉張輝1,2,3,繩夢(mèng)雅5,6

(1.中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院,數(shù)字地球重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100094；2.可持續(xù)發(fā)展大數(shù)據(jù)國(guó)際研究中心,北京 100094；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049；4.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京),北京 100083；5.中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100094；6.空間信息應(yīng)用與防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心中咨數(shù)據(jù)有限公司,北京 100094)

針對(duì)人為碳排放的空間分布量級(jí)差異大導(dǎo)致排放數(shù)據(jù)的非正態(tài)分布問(wèn)題,提出了一種基于衛(wèi)星大氣CO2柱濃度(XCO2)時(shí)空變化特征聚類分區(qū)構(gòu)建人為碳排放神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估算模型方法.通過(guò)利用與人為碳排放強(qiáng)相關(guān)的衛(wèi)星XCO2數(shù)據(jù)時(shí)空變化(2010～2021年)特征的聚類分區(qū),利用衛(wèi)星觀測(cè)的XCO2和SIF以及夜間燈光、人口密度和人為排放清單數(shù)據(jù)EDGAR作為訓(xùn)練學(xué)習(xí)數(shù)據(jù),以聚類區(qū)為單位分別構(gòu)建人為碳排放神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估算模型,估算了2021年研究區(qū)人為碳排放.與EDGAR交叉驗(yàn)證結(jié)果顯示,相比以中國(guó)全區(qū)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練學(xué)習(xí)樣本統(tǒng)一建模方法的估算,本研究提出的分區(qū)建模估算結(jié)果從相關(guān)系數(shù)(R)的0.43提高到了0.82;空間分布更為合理;平均偏差由0.039MtCO2降低到0.018MtCO2.研究表明利用多源數(shù)據(jù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練學(xué)習(xí)進(jìn)行人為碳排放的估算,能夠?yàn)閰^(qū)域碳排放特征和排放清單的不確定性提高提供評(píng)估分析依據(jù).

人為碳排放；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；多源數(shù)據(jù)；機(jī)器學(xué)習(xí)

為應(yīng)對(duì)氣候變化,各國(guó)都在采取人為碳排放控制措施,人為碳排放監(jiān)測(cè)必然成為評(píng)估減排效果的重要途經(jīng)之一.傳統(tǒng)的人為CO2排放估算方法是基于國(guó)家或地區(qū)尺度能源消耗部門或者行業(yè)部門的分類核算,采用清單統(tǒng)計(jì)的方式進(jìn)行[1].目前各個(gè)機(jī)構(gòu)發(fā)布的主流的人為排放清單數(shù)據(jù)有EDGAR、ODIAC、CHRED、PKU、MEIC等[2-6],將人為CO2排放根據(jù)夜光、人口密度等數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間和空間的再分配.然而由于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不充分,且在分配過(guò)程中利用的點(diǎn)源、面源輔助數(shù)據(jù)存在很大的不確定性,導(dǎo)致不同機(jī)構(gòu)的排放清單數(shù)據(jù)存在較大的不一致性.特別是發(fā)展中國(guó)家的高排放區(qū),排放數(shù)據(jù)不確定性更大[7-8],另外清單數(shù)據(jù)依賴于行業(yè)和部門的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),也存在一定的滯后性.IPCC 2019新方針指出衛(wèi)星遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)作為清單數(shù)據(jù)的補(bǔ)充檢驗(yàn),能夠較為客觀地掌握人為碳排放量[9].

衛(wèi)星遙感觀測(cè)具有觀測(cè)模式統(tǒng)一、時(shí)間序列長(zhǎng)、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn),可以有效地獲取和檢測(cè)區(qū)域及全球大氣CO2濃度變化,多源溫室氣體遙感衛(wèi)星GOSAT、OCO-2以及OCO-3等已經(jīng)觀測(cè)積累了10年以上大氣CO2濃度數(shù)據(jù)[10-13].許多研究表明這些溫室氣體衛(wèi)星觀測(cè)反演的大氣CO2柱濃度(XCO2)能夠定量檢測(cè)排放點(diǎn)源和區(qū)域人為CO2排放量;已經(jīng)成為人為碳排檢測(cè)的重要發(fā)展手段[14-15];然而大氣CO2濃度的變化不僅受人為CO2排放的影響,還受大氣傳輸、植被生態(tài)吸收等多種因素的影響,這些因素的相互作用導(dǎo)致大氣CO2濃度變化與人為碳排放呈現(xiàn)非線性的關(guān)系,制約了人為碳排放衛(wèi)星遙感的估算.

多源衛(wèi)星遙感大數(shù)據(jù)的發(fā)展為機(jī)器學(xué)習(xí)在人為碳排放的應(yīng)用提供了契機(jī)[16].數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法通過(guò)數(shù)據(jù)樣本的訓(xùn)練建立多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)與人為碳排放之間的非線性關(guān)系,從而減少了復(fù)雜碳循環(huán)的影響[17-19].目前通用的一些機(jī)器學(xué)習(xí)算法如GRNN、ICSO-SVM、LASSO、RF等已被應(yīng)用于人為碳排放的估算.Wen等[20]應(yīng)用ICSO-SVM混合模型預(yù)測(cè)了中國(guó)上海住宅能源相關(guān)的二氧化碳排放;Leerbeck等[21]利用LASSO機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)預(yù)測(cè)丹麥投標(biāo)區(qū)電網(wǎng)中的二氧化碳排放強(qiáng)度;Yang等[22]應(yīng)用GRNN模型對(duì)中國(guó)區(qū)域人為碳排放進(jìn)行了格網(wǎng)估算;隨后Mustafa等[23]同樣應(yīng)用GRNN模型對(duì)西亞地區(qū)的人為碳排放進(jìn)行了估算;Zhang等利用RF模型對(duì)全球的格網(wǎng)的人為碳排放進(jìn)行了估算.然而以上研究在碳排放估算的過(guò)程中,沒(méi)有考慮人為排放非正態(tài)分布、空間分布不均衡的問(wèn)題,在模型訓(xùn)練中會(huì)引入系統(tǒng)偏差.本研究針對(duì)上述問(wèn)題,選取中國(guó)大陸為研究區(qū),提出了一種基于大氣CO2濃度聚類特征的分區(qū)建模碳排放估算方法,該方法可以極大提高人為碳排放估算精度,為減排措施的制定提供更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù).

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)獲取與處理

本研究收集了排放清單數(shù)據(jù)、衛(wèi)星XCO2、植被生態(tài)通量相關(guān)的葉綠素?zé)晒庖约芭c人為排放活動(dòng)相關(guān)的夜間燈光、人口密度等數(shù)據(jù).針對(duì)中國(guó)大陸區(qū)域夜光和人口數(shù)據(jù)可以利用的時(shí)間范圍,收集了2012年～2021年數(shù)據(jù),以2012年～2020年為訓(xùn)練學(xué)習(xí)數(shù)據(jù),構(gòu)建模型,應(yīng)用模型估算了2021年中國(guó)大陸區(qū)域人為碳排放.

為了在建模過(guò)程中保持時(shí)空分辨率的統(tǒng)一,本研究采用三次卷積內(nèi)插法(cubic convolution interpolation)對(duì)將不同空間分辨率的數(shù)據(jù)統(tǒng)一為1°′1°格網(wǎng),隨后用簡(jiǎn)單平均的方法將不同時(shí)間分辨率的數(shù)據(jù)統(tǒng)一為以年為單位.

1.1.1 人為排放清單數(shù)據(jù) 清單排放數(shù)據(jù)中, EDGAR(Emissions Database for Global Atmospheric Research)數(shù)據(jù)更新相對(duì)較快,且不確定性較小;因此采用EDGAR 作為模型訓(xùn)練的目標(biāo)數(shù)據(jù),收集了2012～2021 年EDGAR v7.0人為碳排放數(shù)據(jù). EDGAR利用了IEA(International Energy Agency)能源統(tǒng)計(jì)、BP(British Petroleum)統(tǒng)計(jì)、USGS(United States Geological Survey)、世界鋼鐵協(xié)會(huì)、GGFR/U.S (Global Gas Flaring Reduction Partnership)、NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration)和IFA (International Fertilizer Association)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)獲得排放數(shù)據(jù),然后通過(guò)人口密度數(shù)據(jù),交通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、夜光數(shù)據(jù)、排放點(diǎn)源數(shù)據(jù)等空間輔助數(shù)據(jù)對(duì)人為排放進(jìn)行空間上0.1度格網(wǎng)的分配(https:// edgar.jrc.ec.europa.eu/)[4].

1.1.2 衛(wèi)星XCO2數(shù)據(jù) 收集來(lái)自多顆溫室氣體衛(wèi)星GOSAT、OCO-2、OCO-3觀測(cè)數(shù)據(jù)生成的時(shí)空連續(xù)數(shù)據(jù)集(Mapping-XCO2).該數(shù)據(jù)集為融合利用GOSAT、OCO-2、OCO-3衛(wèi)星反演的XCO2數(shù)據(jù)基于時(shí)空地統(tǒng)計(jì)的克里格插值處理生成的2009年4月～2021年12月全球時(shí)空連續(xù)數(shù)據(jù)集(1°′1°格網(wǎng)、時(shí)間以月為單位)[24-26].該Mapping-XCO2解決了多源衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)的不一致問(wèn)題,并填補(bǔ)了衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)的大量空白[27],該數(shù)據(jù)集已公開發(fā)布在哈佛大學(xué)的數(shù)據(jù)平臺(tái)上(https://dataverse.harvard.edu/ dataset.xhtml?persistentId=doi:10.7910/DVN/4WDTD8).

1.1.3 其他訓(xùn)練數(shù)據(jù) 為解釋衛(wèi)星XCO2中包含的植被生態(tài)CO2通量信息,收集了太陽(yáng)誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒鈹?shù)據(jù)集(GOSIF).相對(duì)于基于遙感的植被指數(shù),SIF被證明與植被光合作用關(guān)系更緊密,且更能捕捉環(huán)境因素導(dǎo)致的變異.該數(shù)據(jù)集是基于OCO-2的SIF數(shù)據(jù)、中分辨率成像光譜儀(MODIS)數(shù)據(jù)和氣象再分析數(shù)據(jù)處理生成[28].GOSIF數(shù)據(jù)覆蓋時(shí)期為2000～2021年,空間分辨率為0.05°,間隔為8d.

衛(wèi)星傳感器能夠探測(cè)到城市燈光、火點(diǎn)、交通等人類活動(dòng)的信號(hào),且不受大氣傳輸?shù)挠绊?可以直接作為人類排放活動(dòng)檢測(cè)的數(shù)據(jù)源.因此,收集來(lái)自Suomi NPP/VIIRS衛(wèi)星觀測(cè)的2012～2021年空間分辨率為500m的夜光數(shù)據(jù).NPP-VIIRS衛(wèi)星運(yùn)行從2012年至今,數(shù)據(jù)由Suomi國(guó)家極軌道伙伴關(guān)系衛(wèi)星(SNPP)搭載的可見光紅外成像輻射儀(VIIRS)拍攝.該數(shù)據(jù)集對(duì)地面微弱輻射信號(hào)有很強(qiáng)的探測(cè)能力,消除了霧霾和條紋,降低了由雜散光引起的偏移[29].

研究表明,人口因素是影響碳排放的重要因素之一.因此收集了2012～2021年LandScan的全球人口分布數(shù)據(jù)[30].LandScan利用空間數(shù)據(jù)和圖像分析以及多變量 dasymetric建模方法來(lái)分解行政邊界內(nèi)的人口普查計(jì)數(shù),其空間分辨率為1km,每年更新1次.

為了分析在排放聚類區(qū)的土地覆蓋特征,收集全球 500m土地覆蓋產(chǎn)品(MCD12Q1) 的空間聚合和再投影數(shù)據(jù),空間分辨率為0.05°格網(wǎng),使用國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃(InternationaI Geosphere Biosphere Programme, IGBP)分類方法的土地覆蓋類型,該分類方法定義了17個(gè)類別,包括11個(gè)自然植被類別、三個(gè)人為改變類別和三個(gè)非植被類別.

1.2 研究方法

以2012年～2020年的XCO2、SIF、夜間燈光、人口密度和EDGAR為訓(xùn)練學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人為碳排放估算模型,應(yīng)用模型估算了2021年研究區(qū)人為碳排放.

研究選取GRNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為本研究的模型.GRNN是一種前饋式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),不需要事先知道確定方程式,且只有一個(gè)超參數(shù)光滑因子,可以保證最大程度的減少人為主觀參數(shù)選擇對(duì)模型訓(xùn)練的影響,保證模型對(duì)比的客觀性.GRNN具有較強(qiáng)的非線性映射能力和學(xué)習(xí)速度,能夠較好的預(yù)測(cè)樣本數(shù)據(jù)較少時(shí)的結(jié)果.此外,GRNN在利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)估算目標(biāo)參數(shù)的研究中已經(jīng)顯示了較為成功的應(yīng)用[22-23].

人為活動(dòng)在區(qū)域上存在很大差異,排放量的空間分布存在不均衡、非正態(tài)分布問(wèn)題,如中國(guó)大陸區(qū)域的人為活動(dòng)強(qiáng)烈的東部和活動(dòng)稀少的西部.利用全區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)建模過(guò)程中,由于排放的區(qū)域差異太大導(dǎo)致模型擬合效果差.通過(guò)大氣CO2濃度時(shí)空變化特征進(jìn)行聚類,聚類區(qū)域內(nèi)大氣傳輸以及植被覆蓋具有相似特征,進(jìn)而可以增強(qiáng)區(qū)域內(nèi)來(lái)自排放源的CO2排放.據(jù)此,本論文提出了一種基于大氣CO2濃度時(shí)空變化特征聚類的分區(qū)建模機(jī)器學(xué)習(xí)方法,利用2009～2020年XCO2、SIF、人口密度、夜間燈光在各個(gè)聚類區(qū)內(nèi)分別訓(xùn)練,建立與EDGAR清單數(shù)據(jù)的關(guān)系,并對(duì)2021年人為碳排放進(jìn)行估算,旨在提高人為碳排放估算精度.

1.2.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建參數(shù) 1) GRNN理論基礎(chǔ)GRNN以概率密度函數(shù)(Probability Density Function,PDF)代替固有的方程形式通過(guò)執(zhí)行 Parzen非參數(shù)估計(jì)[31],計(jì)算觀測(cè)樣本中自變量和因變量之間的聯(lián)結(jié)概率密度函數(shù)來(lái)計(jì)算因變量對(duì)自變量的回歸值.這里的自變量是XCO2、SIF、夜間燈光、人口密度,因變量是EDGAR.設(shè)隨機(jī)向量和的聯(lián)合概率密度函數(shù)為(,),取值為0,對(duì)0的回歸值式為(1)

式中:為樣本容量,為的維數(shù).為高斯函數(shù)的寬度系數(shù),即光滑因子.

將式(3)式帶入式(2),并交換積分與加和的順序,將有:

2)GRNN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

GRNN網(wǎng)絡(luò)由四層結(jié)構(gòu)構(gòu)成,分別為輸入層(input layer)、模式層(pattern layer)、加和層(summation layer)和輸出層(output layer)[38].

(1)輸入層直接將輸入變量傳遞給模式層.在本研究中利用的訓(xùn)練樣本為XCO2、SIF、夜間燈光、人口密度和EDGAR,輸入層神經(jīng)元的數(shù)目與樣本向量維數(shù)相同.

(2)模式層又稱為隱回歸層,模式層神經(jīng)元的數(shù)目與訓(xùn)練樣本的個(gè)數(shù)相同.計(jì)算訓(xùn)練樣本與第個(gè)神經(jīng)單元的學(xué)習(xí)樣本間的Euclid距離平方指數(shù),并輸入到加和層.

(3)加和層使用兩種模式求和,一種是對(duì)模式層的輸出進(jìn)行算數(shù)求和,第二類是加權(quán)求和,通過(guò)模式層中神經(jīng)元與求和層總神經(jīng)元的鏈接傳遞函數(shù)進(jìn)行加權(quán)求和.

(4)輸出層通過(guò)計(jì)算加和層兩種求和模式結(jié)果的比值,得到估算結(jié)果.

3)光滑因子的優(yōu)化

光滑因子選擇的好壞,關(guān)系到模型最終結(jié)果的輸出.為獲得模型最優(yōu)值,本研究采用逐一選取的方式,設(shè)置值范圍為0.1～2,以0.1步長(zhǎng)逐一計(jì)算每個(gè)值條件下的估算結(jié)果,選取最優(yōu)結(jié)果值作為估算模型的光滑因子參數(shù).同時(shí)在進(jìn)行樣本訓(xùn)練時(shí),采用折交叉驗(yàn)證的方法避免過(guò)擬合現(xiàn)象的出現(xiàn).

交叉驗(yàn)證是機(jī)器學(xué)習(xí)建立模型和驗(yàn)證模型常用辦法,可以在一定程度上減少過(guò)擬合現(xiàn)象的發(fā)生.本研究將設(shè)置為10,將訓(xùn)練數(shù)據(jù)分為10組,在10次迭代中,9組用于訓(xùn)練,1組用于測(cè)試數(shù)據(jù)集的模型評(píng)估.將2012～2020年的訓(xùn)練數(shù)據(jù)隨機(jī)分為10份數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)間不重復(fù);從中挑選一個(gè)子集為測(cè)試集,剩余子集用于模型訓(xùn)練;隨后訓(xùn)練模型估算測(cè)試集并記錄估算偏差;重復(fù)上述步驟10次,保證每一個(gè)子集都成為過(guò)測(cè)試集;計(jì)算10組數(shù)據(jù)的平均偏差作為模型精度的估計(jì)來(lái)減少模型對(duì)數(shù)據(jù)的敏感性.

1.2.2 分區(qū)構(gòu)建模型 已有研究證明,衛(wèi)星觀測(cè)反演的XCO2與人為排放清單數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間上都具有很強(qiáng)的相關(guān)性[32-34].因此,本研究利用中國(guó)大陸區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間序列2009年4月～2021年12月XCO2數(shù)據(jù),應(yīng)用K-means 聚類算法(K-means clustering algorithm)進(jìn)行了時(shí)空特征聚類.K-Means算法是一種基于形心劃分?jǐn)?shù)據(jù)的無(wú)監(jiān)督聚類算法.該方法是最普及且最常用的聚類方法,其算法收斂速度快,可解釋度較強(qiáng)[35].

考慮各聚類區(qū)對(duì)應(yīng)的人為排放活動(dòng)和自然區(qū)域特征且具有一定的數(shù)據(jù)量,聚類XCO2時(shí)空變化特征生成了10個(gè)聚類區(qū),結(jié)果如圖1所示.

對(duì)照EDGAR的人為排放(圖1(b))以及地表覆蓋(圖1(c))的空間分布,各聚類區(qū)綜合顯示了人為排放活動(dòng)、地形、以及地表生態(tài)等區(qū)域特征.在東部高排放大城市區(qū)域,人為活動(dòng)頻繁,對(duì)應(yīng)耕地、水體、城市等復(fù)雜的地表覆蓋特征(圖1(d)),京津冀、長(zhǎng)三角、和珠三角(D7、D4、D2)顯示了各區(qū)域特有的CO2濃度變化特征.在西北部低排放區(qū)域,對(duì)應(yīng)了裸地、草原等相對(duì)簡(jiǎn)單的地表覆蓋特征.

以圖1所示聚類區(qū)為單位,利用2012年到2020年的XCO2、SIF、夜間燈光、人口密度數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本,EDGAR數(shù)據(jù)為人為CO2排放目標(biāo)數(shù)據(jù),各個(gè)聚類區(qū)分別構(gòu)建GRNN模型,共建立起10個(gè)GRNN模型.隨后將2021年的XCO2、SIF、夜間燈光和人口密度數(shù)據(jù),輸入到對(duì)應(yīng)聚類區(qū)各自的模型中,對(duì)聚類區(qū)內(nèi)各格網(wǎng)的人為CO2排放進(jìn)行估算.為了對(duì)比分區(qū)建模估算結(jié)果,利用相同的訓(xùn)練數(shù)據(jù)在中國(guó)大陸全區(qū)構(gòu)建GRNN模型,應(yīng)用該模型對(duì)全區(qū)進(jìn)行了2021年排放估算.以上分區(qū)建模和全區(qū)建模的估算結(jié)果和對(duì)比分析將在下一章在論述.

圖1 (a)基于XCO2時(shí)空變化特征的聚類結(jié)果;以及(b)中國(guó)大陸區(qū)域EDGAR排放的空間分布、(c)地表土地覆蓋和(d)各土地覆蓋類型排放統(tǒng)計(jì)

Fig 1 (a) Clustering results based on temporal and spatial variation characteristics of XCO2; And (b) spatial distribution of EDGAR emissions in China, (c) land cover and (d) emission statistics of each land cover type審圖號(hào):GS(2019)1829

2 結(jié)果與討論

2.1 估算偏差

利用2021年EDGAR排放數(shù)據(jù),對(duì)比驗(yàn)證了GRNN模型估算結(jié)果.圖2分別顯示了研究區(qū)格網(wǎng)點(diǎn)EDGAR排放與分區(qū)建模估算和全區(qū)建模估算結(jié)果的相關(guān)性.結(jié)果顯示分區(qū)建模估算結(jié)果的相關(guān)系數(shù)(2=0.82)遠(yuǎn)高于全區(qū)建模的0.43,更高的一致于EDAGR,表明分區(qū)建模能夠更好地訓(xùn)練學(xué)習(xí)到人為排放的空間信息.

本研究進(jìn)一步對(duì)比分析模型估算偏差與清單排放量的響應(yīng)關(guān)系(如圖3所示),結(jié)果顯示分區(qū)建模估算偏差與清單排放量的相關(guān)性2為0.30,顯著低于全區(qū)建模估算偏差與清單排放量的相關(guān)性(2= 0.78).全區(qū)建模估算偏差與清單排放量顯示出的較好線性關(guān)系這一定程度上指出了該估算結(jié)果存在較大的系統(tǒng)偏差.

此外,本研究對(duì)中國(guó)大陸的碳排放估算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì).2021年EDGAR清單的CO2排放總量為12675Mt CO2,分區(qū)模型估算的碳排放量為12473Mt CO2,總體偏差202Mt CO2,標(biāo)準(zhǔn)差14.67Mt CO2,格網(wǎng)平均偏差0.018Mt CO2;全區(qū)模型估算的碳排放量為12245Mt CO2,總體偏差430Mt CO2,格網(wǎng)平均偏差0.039Mt CO2,標(biāo)準(zhǔn)差26.57Mt CO2.分區(qū)建模估算結(jié)果的偏差小于全區(qū)建模估算結(jié)果的偏差.這表明,采用分區(qū)建模方法能夠更準(zhǔn)確地估算排放量,相對(duì)于全區(qū)建模方法具有更高的精度和可靠性.

Fig 3 Response of estimated bias to inventory emissions from cluster modeling (a) and whole region modeling (b)

2.2 估算結(jié)果的不確定性

2.2.1 排放估算的空間分布 圖4結(jié)果顯示,分區(qū)建模(圖4(b))和全區(qū)建模(圖4(c))的估算結(jié)果與EDGAR排放(圖1(b))均顯示了相似的空間分布特征;這表明兩種模型都能夠比較準(zhǔn)確地捕捉到排放量的空間分布規(guī)律.然而,在偏差空間分布結(jié)果上,分區(qū)建模的排放估算在低排放區(qū)偏差整體在零值附近,而全區(qū)建模偏差結(jié)果則顯示了較低的偏差,特別是在高排放點(diǎn)源及城市區(qū)域,如上海、沈陽(yáng)等地區(qū)偏差較大.這表明采用分區(qū)建模方法能夠更準(zhǔn)確地估算低排放區(qū)的排放量.

分區(qū)建模和全區(qū)建模估算的排放量在高排放大城市如上海、武漢、沈陽(yáng)等均顯示出低于清單排放值,而大城市周圍區(qū)域排放估算值高于清單值;該結(jié)果可能與EDGAR清單數(shù)據(jù)在空間分配中所使用的點(diǎn)源數(shù)據(jù)不確定性有關(guān),而其在總排放中占據(jù)最大的比例.EDGAR清單數(shù)據(jù)在點(diǎn)源分配時(shí)所使用的CARMA電廠數(shù)據(jù)[36-37]中點(diǎn)源的地理位置存在較大的偏差[38-39].CARMA電廠數(shù)據(jù)往往將電廠所在城市的幾何中心的坐標(biāo)作為該電廠的坐標(biāo),導(dǎo)致EDGAR以城市為中心分配了過(guò)多的排放量,相應(yīng)在該城市郊區(qū)的排放就會(huì)低于真實(shí)排放.研究對(duì)CARMA數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查驗(yàn)證,結(jié)果發(fā)現(xiàn)接近一半的電廠地理位置存在位置偏差,這與其他研究的結(jié)果相一致[40].也有研究指出CARMA數(shù)據(jù)在中國(guó)大陸區(qū)域忽略了1300個(gè)小型電廠[41].因此本研究的模型估算結(jié)果也在一定程度上印證了清單數(shù)據(jù)的不確定性.

圖4所示全區(qū)模型排放估算在低排放區(qū)整體高于EDGAR,而在沈陽(yáng)、武漢、上海等大城市區(qū)低于EDGAR.這是由于全區(qū)建模訓(xùn)練過(guò)程中,受區(qū)域碳排放空間非正態(tài)分布、量級(jí)差異大的影響,導(dǎo)致模型擬合誤差大,產(chǎn)生系統(tǒng)偏差.

2.2.2 估算偏差的區(qū)域性特征 針對(duì)小區(qū)域的排放估算偏差問(wèn)題,在研究區(qū)選取了如圖5所示排放估算偏差較大且具有排放代表性的11個(gè)區(qū)域(ROI),圖中C1～C7為城市區(qū),S1～S4為農(nóng)村和城鎮(zhèn).

表1的結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了基于XCO2時(shí)空特征聚類分區(qū)建模的排放估算方法的準(zhǔn)確性和可行性.相比于全區(qū)建模,分區(qū)建模的排放估算偏差明顯降低,尤其是在沈陽(yáng)、上海、武漢等大城市區(qū)域,減少了約119～211Mt CO2的估算誤差,這表明分區(qū)建模方法能更好地反映空間分布差異,精確提高排放估算的精度和可靠性.同時(shí),分區(qū)建模估算結(jié)果中,排放量最高的城市與EDGAR的高排放區(qū)和排放順序相近,再次證明該方法在區(qū)域排放估算中的可靠性和實(shí)用性.表1的結(jié)果證明了基于XCO2時(shí)空特征聚類分區(qū)建模的排放估算方法的優(yōu)勢(shì),為進(jìn)一步改善我國(guó)大氣污染控制和減排方案提供了科學(xué)參考.

圖4 研究區(qū)域2021年(a)分區(qū)建模估算的人為碳排放、(b)全區(qū)建模估算的人為碳排放,(c)分區(qū)建模估算偏差、(d)全區(qū)建模估算偏差

審圖號(hào):GS(2019)1829

圖5 ROI的位置分布,其中C1～C7為城市區(qū)域、S1～S4為城鎮(zhèn)和農(nóng)村,底圖為分區(qū)建模估算結(jié)果的偏差(2021年)

審圖號(hào):GS(2019)1829

在分區(qū)建模排放估算結(jié)果中,偏差最大的區(qū)域在包頭、邯鄲和攀枝花,這三個(gè)區(qū)域都屬于高排放點(diǎn)源集中的區(qū)域,其中包頭是中國(guó)重要的基礎(chǔ)工業(yè)基地[42],邯鄲是國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)的老工業(yè)基地[43],攀枝花是西南地區(qū)最大的鐵礦石原料基地和全國(guó)最大的鈦原料基地,是全國(guó)四大鐵礦區(qū)之一[44].2.2.1節(jié)中提到EDGAR數(shù)據(jù)在點(diǎn)源分配時(shí)使用的CARMA點(diǎn)源數(shù)據(jù)存在較大的不確定性,因此會(huì)導(dǎo)致EDGAR在這三個(gè)區(qū)域的排放分配也存在較大的不確定性.而在成都、廣州、開封這樣重工業(yè)點(diǎn)源相對(duì)較少的區(qū)域,估算偏差相對(duì)較小.訓(xùn)練數(shù)據(jù)中利用的XCO2是衛(wèi)星實(shí)時(shí)觀測(cè)到的柱濃度,包含了客觀的人為CO2排放信息,因此利用衛(wèi)星觀測(cè)得到的模型訓(xùn)練結(jié)果對(duì)排放清單數(shù)據(jù)的不確定性具有評(píng)估驗(yàn)證的參考價(jià)值.

表1 ROI區(qū)域排放和估算結(jié)果統(tǒng)計(jì)(Mt CO2)

由表2可見,與通常的碳排放統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致,長(zhǎng)三角、京津冀和珠三角這三個(gè)聚類區(qū)(D4、D7、D2)顯示出最大的排放量;而青海和西藏這兩個(gè)占據(jù)面積最大的聚類區(qū)(D6)則顯示出最小的排放量.同時(shí),在這些區(qū)域內(nèi)進(jìn)行分區(qū)建模估算的結(jié)果,其偏差普遍低于整個(gè)區(qū)域的建模估算結(jié)果.

在10個(gè)聚類區(qū)中,分區(qū)模型估算偏差和平均偏差最大區(qū)域?yàn)榫┙蚣降貐^(qū)和珠三角聚類區(qū)(D7、D2),京津冀地區(qū)的排放估算高于EDGAR排放188.74Mt CO2;而珠三角地區(qū)的排放估算低于EDGAR排放106.51Mt CO2,這些區(qū)域分布有多種行業(yè)的碳排放企業(yè),人為排放活動(dòng)復(fù)雜多變,使得基于清單統(tǒng)計(jì)的EDGAR數(shù)據(jù)存在較大的不確定性,即EDGAR低估了京津冀地區(qū)排放而高估了珠三角地區(qū).另外,長(zhǎng)三角地區(qū)(D4)顯示了分區(qū)估算標(biāo)準(zhǔn)偏差(44Mt CO2)明顯高于其他區(qū)域(均值為11Mt CO2).對(duì)照?qǐng)D5所示偏差分布以及上述偏差分析結(jié)果,該區(qū)域估算偏差顯示的高標(biāo)準(zhǔn)差即偏差高離散度也指出了該區(qū)域排放點(diǎn)源分布的不確定性問(wèn)題導(dǎo)致了格網(wǎng)點(diǎn)的高偏差.分區(qū)估算偏差較小的區(qū)域?yàn)樾陆?、西藏、青?D5、D6),分別為1.65Mt CO2和1.96Mt CO2,這兩個(gè)區(qū)域地廣人稀,人為排放活動(dòng)少,排放偏差也相對(duì)較小.

表2 各聚類區(qū)排放統(tǒng)計(jì)(Mt CO2)

3 結(jié)論

3.1 衛(wèi)星長(zhǎng)時(shí)序XCO2數(shù)據(jù)的時(shí)空特征聚類分析揭示了人為碳排放、大氣傳輸以及地表生態(tài)通量的區(qū)域特征.在東部京津冀、長(zhǎng)三角、和珠三角等XCO2聚類區(qū),人為碳排放較高,人為活動(dòng)頻繁,對(duì)應(yīng)人為活動(dòng)頻繁的耕地、水體、城市等復(fù)雜的地表覆蓋特征.而在西北部XCO2聚類區(qū)域,人為碳排放較少,對(duì)應(yīng)裸地、草原等相對(duì)簡(jiǎn)單的地表覆蓋特征.

3.2 分區(qū)建模的碳排放估算精度高于全區(qū)建模.本研究提出的基于衛(wèi)星XCO2時(shí)空變化特征聚類分區(qū)建模的人為CO2排放估算方法,與EDGAR清單數(shù)據(jù)交叉驗(yàn)證結(jié)果2=0.82遠(yuǎn)高于全區(qū)建模結(jié)果(2= 0.43).格網(wǎng)平均偏差0.018Mt CO2,遠(yuǎn)低于全區(qū)建模的0.039Mt CO2,較好地解決了人為碳排放非正態(tài)分布、量級(jí)差異大帶來(lái)的模型訓(xùn)練系統(tǒng)偏差,顯示了更高的精度.

3.3 分區(qū)建模估算結(jié)果在不同尺度的碳排放研究中更有優(yōu)勢(shì).無(wú)論是高排放城市點(diǎn)源尺度還是聚類區(qū)尺度,分區(qū)建模的估算結(jié)果偏差均小于全區(qū)建模,在區(qū)域碳排放分析中可以提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持.

3.4 揭示出長(zhǎng)三角地區(qū)人為碳排放具有一定的不確定性.與EDGAR數(shù)據(jù)的交叉驗(yàn)證結(jié)果顯示,長(zhǎng)三角地區(qū)排放估算的偏差較其它地區(qū)更大,這可能由于EDGAR在空間分配時(shí)所使用的CARMA點(diǎn)源排放數(shù)據(jù)源的不確定性有關(guān).

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A neural network partitioning method for carbon emission estimation based on spatial-temporal clustering of atmospheric CO2concentration.

ZHANG Shao-qing1,2,3, LEI Li-ping1,2*, SONG Hao4, GUO Kai-yuan1,2,3, JI Zhang-hui1,2,3, SHENG Meng-ya5,6

(1.Key Laboratory of Digital Earth Science, Aerospace Information Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China；2.International Research Center of Big Data for Sustainable Development Goals, Beijing 100094, China；3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China；4.China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China；5.China Highway Engineering Consultants Corporation, Beijing 100094, China；6.Space Information Application and Disaster Prevention and Mitigation Technology Transportation Industry R & D Center, Beijing 100094, China)., 2023,43(10)：5604～5613

Aiming at the non-normal distribution of anthropogenic carbon emissions due to the large spatial difference of magnitude, a neural network estimation model for anthropogenic carbon emissions was proposed in this study based on the clustering of spatial-temporal variation characteristics of satellite XCO2. Using the spatial and temporal variations of satellite XCO2(2010～2021), which are strongly correlated with anthropogenic carbon emissions, for clustering and partitioning, and utilizing satellite-observed SIF, nighttime lighting, as well as population density and anthropogenic emission inventory(EDGAR) as training data, neural network models for Carbon emission estimation were built respectively in each cluster region, and the anthropogenic carbon emissions of the study area were estimated for the year 2021. Cross-verification results with EDGAR show that compared with the unified modeling method based on the data of the whole study area, the estimation result of the partition modeling proposed in this study increased the correlation coefficient (2) from 0.43 to 0.82, with more reasonable spatial distribution, and the mean deviation decreased from 0.039Mt CO2to 0.018Mt CO2. The study shows that the estimation of anthropogenic carbon emissions using neural network training with multi-source data can provide data support for the characterization of regional carbon emissions and the assessment of uncertainty in emission inventories.

anthropogenic carbon emission；neural network；multi-source data；machine learning

X51

A

1000-6923(2023)10-5604-10

2023-03-09

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2022YFC3800700);國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2020YFA0607503)

* 責(zé)任作者, 研究員, leilp@radi.ac.cn

張少卿(1994-),男,山東青州人,中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院博士研究生,主要從事人為碳排放定量估算方面研究.發(fā)表論文1篇. zhangsq@radi.ac.cn.

張少卿,雷莉萍,宋 豪,等.一種基于大氣CO2濃度時(shí)空特征的碳排放分區(qū)估算方法 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2023,43(10):5604-5613.

Zhang S Q, Lei L P, Song H, et al. A neural network partitioning method for carbon emission estimation based on spatial-temporal clustering of atmospheric CO2concentration [J]. China Environmental Science, 2023,43(10):5604-5613.