摘要：基于基站中高點位資源優(yōu)勢，掛載氣象傳感和監(jiān)控設(shè)備，設(shè)立氣象數(shù)據(jù)采集點和視頻監(jiān)控點等感知節(jié)點，并融合氣象局大網(wǎng)數(shù)據(jù)，實時獲取風(fēng)速、風(fēng)向、雨量等精細(xì)化的氣象數(shù)據(jù)，向軌交運(yùn)營等用戶企業(yè)輸出提供天氣預(yù)報、極端天氣預(yù)警等信息，健全預(yù)警發(fā)布與應(yīng)急響應(yīng)的聯(lián)動機(jī)制，提升汛期抗風(fēng)抗臺風(fēng)險能力，形成上海地鐵維保﹑江湖防汛等工作的“氣象數(shù)字結(jié)界”，為城市智能化管理做出了貢獻(xiàn)。通過全市現(xiàn)基站，開展城市碳排放監(jiān)測，同時利用現(xiàn)有基站，完成城市級碳監(jiān)測排放網(wǎng)搭建，基本實現(xiàn)城市級溫室氣體監(jiān)測全覆蓋，校準(zhǔn)溫室氣體排放清單數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：基站；高點位資源；碳排放監(jiān)測；溫室氣體

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.08.058

中圖分類號：TN 929.5" " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2024）08-0-04

Analysis and Practice of Key Technologies for Urban-level Carbon Emission Monitoring and Weather Warning Based on the Advantages of Medium and High-point Resources of Base Stations

YU Zhe

（Shanghai Branch of China Tower Corporation Limited， Shanghai 201702， China）

Abstract： Based on the advantages of medium and high-point resources of base stations， meteorological sensors and monitoring equipment are mounted， and sensing nodes such as meteorological data collection points and video monitoring points are set up. In addition， the data of the large network of the Meteorological Bureau is integrated to obtain refined meteorological data such as wind speed， wind direction， and rainfall in real time， and to output weather forecasts， extreme weather warnings and other information to user companies such as rail transit operations， improve the linkage mechanism between warning release and emergency response， enhance the ability to resist wind and typhoon risks during the flood season， and form a amp; meteorological digital barrier; for Shanghai Metro maintenance， river and lake flood prevention and other work， which has contributed to the intelligent management of the city. Through the existing base stations in the city， urban carbon emission monitoring is carried out， and at the same time， the existing base stations are used to complete the construction of the urban-level carbon monitoring emission network， basically achieving full coverage of urban-level greenhouse gas monitoring， and calibrating greenhouse gas emission inventory data.

Keywords： base station; high-point resources; carbon emission monitoring; greenhouse gas

1" "大氣環(huán)境溫室氣體監(jiān)測

通信基站負(fù)責(zé)配套設(shè)施和高鐵地鐵公網(wǎng)覆蓋、大型室內(nèi)分布系統(tǒng)的建設(shè)、維護(hù)和運(yùn)營。在第六屆進(jìn)博會通信保障工作中，統(tǒng)籌規(guī)劃并實施進(jìn)博會通信保障整體方案。包括保障方案制定、組織機(jī)構(gòu)建立、安全隱患整治、保障人員培訓(xùn)、聯(lián)合應(yīng)急演練、重保期間基站網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營等工作，這也是智慧城市管理重要組成部分[1]。同時根據(jù)生態(tài)環(huán)境部印發(fā)《碳監(jiān)測評估試點工作方案》（環(huán)辦監(jiān)測函〔2021〕435號）的相關(guān)要求，上海市為8個綜合試點城市之一。根據(jù)《上海市碳監(jiān)測評估試點工作方案》，2022年，結(jié)合地面基站站點、走航車、無人機(jī)、地基及衛(wèi)星遙感等多種監(jiān)測手段，初步構(gòu)建了天空地一體化溫室氣體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，并開展重點行業(yè)溫室氣體監(jiān)測?；诟黝惐O(jiān)測數(shù)據(jù)，高精度碳同化反演城市與區(qū)域尺度的溫室氣體濃度和變化趨勢，校準(zhǔn)溫室氣體排放清單數(shù)據(jù)，開展CO2濃度和通量的同化反演示范應(yīng)用。

1.1 高精度大氣溫室氣體監(jiān)測

1.1.1 基站站點設(shè)置

基于中國環(huán)境監(jiān)測總站發(fā)布的《城市大氣溫室氣體監(jiān)測點位布設(shè)技術(shù)指南（第一版）》，根據(jù)上海實際情況，形成了上海市溫室氣體監(jiān)測站點選址技術(shù)路線。

在充分考慮擬選站點周邊的地理環(huán)境、排放特點、基礎(chǔ)設(shè)施等因素的基礎(chǔ)上，上海市初步確定了7+1個站點，即7個溫室氣體監(jiān)測站（嘉定外岡、寶山楊行、靜安國媒、青浦金澤、松江車墩、浦東張江、奉賢海灣）和1個溫室氣體背景監(jiān)測站（崇明東灘），共8個站點的選址工作。

使用WRF模型，基于NCEP的FNL氣象再分析資料，模擬出上海市區(qū)域內(nèi)高時空分辨率的氣象場。在高時空分辨率氣象場的驅(qū)動下，使用基于拉格朗日后向軌跡理論的STILT（Stochastic Time-Inverted Lagrangian Transport Model）模型，對8個溫室氣體監(jiān)測站點的監(jiān)測代表性進(jìn)行了模擬。冬季1月份和夏季7月份的監(jiān)測代表模擬結(jié)果顯示8個站點具有較好的代表性。

1.1.2 在線監(jiān)測

2022年開始，基于大量基站的上海市高精度溫室氣體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)陸續(xù)建成并開展在線監(jiān)測，監(jiān)測因子涵蓋二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、六氟化硫（SF6）等溫室氣體及其示蹤物一氧化碳（CO），另外還開展了12CO2、13CO2等CO2同位素的試點監(jiān)測。

監(jiān)測方法主要為光腔衰蕩光譜法（CRDS）、離軸積分腔輸出光譜法（ICOS）、非色散紅外光譜法（NDIR）等較為成熟的方法（見表1）。

1.2 走航溫室氣體監(jiān)測

2022年2月和7月，使用移動測試車搭載Picarro G2301型溫室氣體分析儀、氣象儀、GPS定位儀等設(shè)備在上海市主要道路上開展走航CO2監(jiān)測和CH4監(jiān)測，覆蓋上海市道路長度分別為1 750 km和1 600 km。獲得了冬季和夏季上海市主要道路上的CO2和CH4空間分布特征。

1.3 無人機(jī)垂直溫室氣體監(jiān)測

2022年12月，在上海市重點排放區(qū)域以及部分高精度基站監(jiān)測站點附近開展了溫室氣體無人機(jī)飛行監(jiān)測，獲得了近地面至500 m的溫室氣體垂直廓線（見圖1）。

垂直廓線在背景點變化較小，在市區(qū)點和邊界點的低層呈緩慢上升趨勢，在上層的變化存在差異。例如在背景點崇明東灘處，CO2垂直廓線變化較小，其中下層（0～300 m）CO2濃度受近地面影響波動較大，上層波動較小。邊界站青浦金澤和金山滬浙界處的廓線從下至上均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，即CO2濃度從近地面開始逐漸上升，在250～300 m處達(dá)到最大值，之后緩慢下降。在城區(qū)站浦東張江和松江車墩處的CO2濃度從0～300 m同樣呈緩慢上升趨勢，在300～500 m處呈不變或上升趨勢，表明上層空氣可能受周邊區(qū)域水平輸送的影響。受周邊排放影響，不同地點CO2濃度大小存在空間差異。市區(qū)站濃度高于金山滬浙界處的化工區(qū)；背景點崇明東灘站的濃度最低，低于青浦金澤站和松江車墩站。

1.4 基站地基柱濃度溫室氣體監(jiān)測

2022年應(yīng)用Bruker IFS 125HR超高分辨率紅外光譜儀開展浦東張江固定點位的連續(xù)觀測，共完成了115天有效觀測，獲得近紅外波段太陽光譜數(shù)據(jù)。

利用全球總碳柱觀測網(wǎng)絡(luò)（TCCON）的GGG2014反演算法，反演出大氣CO2和CH4柱濃度反演，同時也反演出CO和N2O柱濃度數(shù)據(jù)（見圖2）。

CO2柱濃度（XCO2）和CH4柱濃度（XCH4）的日內(nèi)變化均呈上午緩慢下降，下午較快速上升趨勢（見圖3）。

1.5 衛(wèi)星遙感溫室氣體監(jiān)測

通過對OCO-2和哨兵5P衛(wèi)星數(shù)據(jù)的分析處理，由于采用國際上有較多數(shù)據(jù)應(yīng)用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)有一定滯后性。初步獲得了2020年上海市CO2、CH4柱濃度的年均分布結(jié)果。

1.6 碳同位素監(jiān)測

依托基站設(shè)施固定點位，初步開展了2個固定點位（靜安國媒、嘉定外岡）及1個補(bǔ)充點位（奉賢海灣）的大氣二氧化碳碳同位素（14C）監(jiān)測，分析其日變化特征及周變化特征，并基于14C和CO2的質(zhì)量守恒定律，對樣品中CO2的化石燃料燃燒排放貢獻(xiàn)進(jìn)行了定量分析。

2" "基站中高點位資源優(yōu)勢

基站中高點位資源優(yōu)勢體現(xiàn)在：

一是上海市浦東新區(qū)等六個行政區(qū)域內(nèi)利用通信基站開展相控陣氣象雷達(dá)站改造與建設(shè)，其中改造存量基站站址3座、新建氣象塔5座，開展氣象技術(shù)和基站資源的雙向賦能，進(jìn)一步加強(qiáng)對上海超大城市災(zāi)害性天氣的監(jiān)測分析和短臨預(yù)警能力，在汛期及極端天氣下提供相應(yīng)城市安全保障。項目建設(shè)完工后在全市范圍內(nèi)形成天氣雷達(dá)觀測網(wǎng)，推動上海形成更高的氣象現(xiàn)代化水平。

二是利用48座基站站址，在長江沿岸掛載雷達(dá)和監(jiān)控設(shè)備，實現(xiàn)上海長江口水域3 200 km2、365天24小時全天候全水域覆蓋監(jiān)控，實現(xiàn)了智能發(fā)現(xiàn)、智能告警、綜合研判、指揮調(diào)度、屬地監(jiān)管、及時查處和信息共享的智能閉環(huán)?？蓪崿F(xiàn)對上海市長江禁漁管理區(qū)域3 200 km2、450 km沿江岸線、365天24小時、全水域、全天候、“水、陸、空、天”一體化管控，助力長江生態(tài)大保護(hù)。

三是在太湖周邊的104處基站站址，掛載視頻監(jiān)控設(shè)備，實時獲取太湖水域水位和水面漂浮物以及船只航行情況，更對太湖流域水利基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行實時監(jiān)管，形成太湖流域整體監(jiān)管體系。通過通信基礎(chǔ)設(shè)施共享，開創(chuàng)水利服務(wù)新模式，為太湖流域管理局提供了更準(zhǔn)確的太湖流域水面漂浮物監(jiān)測和防汛防臺時期的預(yù)判等能力的支撐。

四是基于基站中高點位資源優(yōu)勢，開展城市碳排放監(jiān)測，通過全市8個點位完成城市級碳監(jiān)測排放網(wǎng)搭建，基本實現(xiàn)全市溫室氣體監(jiān)測全覆蓋。自2022年開始，連續(xù)三年為上海市環(huán)境監(jiān)測中心全市溫室氣體監(jiān)測提供站址服務(wù)，并在上觀新聞、解放日報、澎湃新聞等多家媒體對外發(fā)布報道，構(gòu)建上海城市溫室氣體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，為城市精準(zhǔn)減碳指明了方向。

五是通過淀山湖周邊6個基站點位的高點視頻，借助基站視聯(lián)平臺水質(zhì)監(jiān)測的智能算法，精準(zhǔn)識別水域中藍(lán)藻滋生、水面漂浮物的種類數(shù)量、水域非法采砂行為等異常情況，實現(xiàn)上海淀山湖全域的全天候、高精度監(jiān)控?？沙掷m(xù)進(jìn)行淀山湖生態(tài)水質(zhì)監(jiān)測，深化美麗長三角生態(tài)環(huán)境共保聯(lián)治，為后續(xù)的行業(yè)規(guī)模發(fā)展積累寶貴經(jīng)驗，謀篇布局環(huán)保監(jiān)測的宏偉藍(lán)圖。

六是利用現(xiàn)有基站站址和高點位優(yōu)勢，在地鐵5、16、17號沿線掛載氣象傳感和監(jiān)控設(shè)備，設(shè)立氣象數(shù)據(jù)采集點和視頻監(jiān)控點等感知節(jié)點，并融合氣象局大網(wǎng)數(shù)據(jù)，實時獲取風(fēng)速、風(fēng)向、雨量等精細(xì)化的氣象數(shù)據(jù)，向軌交運(yùn)營企業(yè)輸出提供天氣預(yù)報、極端天氣預(yù)警等信息，健全預(yù)警發(fā)布與應(yīng)急響應(yīng)的聯(lián)動機(jī)制，提升汛期抗風(fēng)險能力，形成上海地鐵維保工作的“氣象數(shù)字結(jié)界”，通過通信基礎(chǔ)設(shè)施共享，開創(chuàng)氣象服務(wù)新模式，為上海地鐵運(yùn)維提供了更準(zhǔn)確的氣象環(huán)境預(yù)測和預(yù)判能力支撐。國務(wù)院國資委就技術(shù)項目已作專題新聞報道。

2.1 基站中高點位檢測有利于碳源匯監(jiān)測及排放清單核算

開展火電、鋼鐵、焚燒、交通等重點行業(yè)通過基站中高點位溫室氣體監(jiān)測，基于直接測量法和指南方法碳排放量核算的比較，結(jié)合企業(yè)實際排放狀況，初步構(gòu)建了監(jiān)測校驗體系和重點行業(yè)溫室氣體排放系數(shù)庫，完成了2020和2021年碳污同源排放清單并實現(xiàn)網(wǎng)格化。積極推進(jìn)大數(shù)據(jù)應(yīng)用，依托重點源在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、電力行業(yè)發(fā)電數(shù)據(jù)、機(jī)動車路網(wǎng)數(shù)據(jù)、船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）數(shù)據(jù)、飛機(jī)流量數(shù)據(jù)等，初步構(gòu)建了上海市工業(yè)源、機(jī)動車、船舶等重點源高時間分辨率溫室氣體排放清單核算技術(shù)體系。

基于基站中高點位和衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合已有碳匯通量塔監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立了上海市30 m分辨率的植被初級凈生產(chǎn)力反演模型，并完成了2010年、2015年和2020年3個年度的植被初級凈生產(chǎn)力數(shù)據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)，為長期跟蹤評估上海市碳匯精細(xì)變化和CO2同化反演系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)支撐。

2.2 基站中高點位檢測有利于高時空分辨率CO2同化反演

基于環(huán)境監(jiān)測總站發(fā)布的《城市大氣二氧化碳（CO2）同化反演試點方案編制技術(shù)指南（第一版）》，結(jié)合前期相關(guān)的工作基礎(chǔ)，通過雙向耦合中間件，將基于全球大氣化學(xué)傳輸模式GEOS-Chem和集合調(diào)整卡爾曼濾波同化方法的全球CO2同化反演系統(tǒng)，與基于區(qū)域大氣化學(xué)傳輸模式WRF-Chem和集合調(diào)整卡爾曼濾波同化方法的區(qū)域CO2同化反演系統(tǒng)，雙向嵌套耦合在一起，實現(xiàn)全球CO2同化反演系統(tǒng)為區(qū)域CO2同化反演系統(tǒng)提供邊界約束條件，區(qū)域CO2同化系統(tǒng)將同化結(jié)果反饋給全球CO2同化系統(tǒng)的過程。全球CO2同化系統(tǒng)的空間分辨率為0.5°×0.625°，區(qū)域CO2同化系統(tǒng)內(nèi)部分別進(jìn)行27 km×27 km、9 km×9 km、3 km×3 km的三層雙向嵌套。通過4層嵌套，實現(xiàn)從全球0.5°×0.625°分辨率到區(qū)域最高3 km分辨率的對CO2濃度和通量的同化反演。

基于全球和區(qū)域同化系統(tǒng)雙向嵌套的技術(shù)路線，已經(jīng)初步完成上海市高時空分辨率CO2同化反演系統(tǒng)的構(gòu)建，并利用基站中高點位檢測和OCO-2衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)，在MERRA-2氣象再分析資料數(shù)據(jù)產(chǎn)品的驅(qū)動下，反演出3 km分辨率的上海市2022年10月、11月兩個月的地表CO2通量。利用同期14C監(jiān)測數(shù)據(jù)和地面CO2濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)，識別出其中化石源CO2排放量。通過2022年的試點工作，初步落實了上海市高時空分辨率CO2同化反演系統(tǒng)的應(yīng)用示范，為后續(xù)進(jìn)一步結(jié)合CO/NO2監(jiān)測數(shù)據(jù)的同化反演，實現(xiàn)輔助校驗排放清單準(zhǔn)確性的目標(biāo)，打下了扎實的工作基礎(chǔ)。

3" "城市級碳排放監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

基于基站中高點位資源優(yōu)勢，開展城市碳排放監(jiān)測。

（1）通過開發(fā)高性能城市能耗及碳排的軟測量方法：針對城市空間建造與傳統(tǒng)城市排放不同沒有成型的能耗估算和碳排放核算方法，通過對BIM建造數(shù)據(jù)和能耗數(shù)據(jù)，碳源碳匯等數(shù)據(jù)挖掘和信患融合，獲得一種間接計算能耗和碳排放的軟測量方法，形成高性能模塊空間建造能耗及碳排的軟測量技術(shù)，為城市空間建造“能＋碳”管控提供依據(jù)。

（2）城市空間建造碳管控技術(shù)體系與評價方法：通過碳管控技術(shù)，辨別和量化對環(huán)境的攫取與排放，研究城市空間建造碳管控評價指標(biāo)和評價方法，從而評價目標(biāo)的環(huán)境負(fù)擔(dān)、能源消耗、管理措施的合理性，實現(xiàn)城市空間建造碳中和，推進(jìn)零碳城市空間建造發(fā)展[2]。

（3）基于數(shù)字化和智能化的城市空間綠色低碳管控平臺：以城市空間建造為核心，銜接設(shè)計與運(yùn)維，基于數(shù)字化智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)城市空間設(shè)計[3]、建造與運(yùn)維一體化的“能＋碳”數(shù)字化智檢綜合管理平臺和監(jiān)測管控平臺[4]，同時應(yīng)用城市級碳排放監(jiān)測技術(shù)和BIM技術(shù)參與大型城市工程全壽命周期管理[5]。

4" "結(jié)束語

基站對城市碳排放監(jiān)測，是城市生活和綠色低碳建造的關(guān)鍵管控方法之一，為降低城市碳排放強(qiáng)度和平均設(shè)計能耗水平，建立基于基站數(shù)字化和智能化的高性能城市空間綠色低碳管控平臺，實現(xiàn)城市工業(yè)化生產(chǎn)、低碳排放，循環(huán)拆改的綠色低碳數(shù)字化轉(zhuǎn)型碳排放目標(biāo)管控，切實提高我國綠色生產(chǎn)、工業(yè)化建造及數(shù)字化智能建造的碳排管控水平。同時利用基站高電位可掛載氣象傳感和監(jiān)控設(shè)備優(yōu)勢，提供天氣預(yù)報、極端天氣預(yù)警等信息。因此，基站高位監(jiān)測支撐城市低碳管控和防災(zāi)水平升級是未來智慧發(fā)展的必然方向。

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作者簡介：俞" 喆（1971—），男，漢族，浙江鄞縣人，高級工程師，碩士，研究方向為信息通信工程管理與研究。