CN113269668A - 一种碳平衡状态确定方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳平衡状态确定方法及系统，所述方法包括：对研究区域进行格网化处理；利用碳固定模型计算每个格网的碳固定量；利用碳排放模型计算每个格网的碳排放量；根据每个格网的碳固定量和碳排放量计算每个格网的碳平衡余量，每个格网的所述碳平衡余量用于表征每个格网的碳平衡状态。本发明首先对研究区域进行格网化处理，然后针对每个格网利用碳固定模型和碳排放模型确定其碳平衡余量，实现非单一自然生态系统的场合的碳平衡的研究。
Description
技术领域
本发明涉及碳收支平衡研究技术领域，特别是涉及一种碳平衡状态确定方法及系统。
背景技术
随着全球气候持续变暖导致的生态环境问题日益严峻，温室气体排放导致的温室效应已经成为国际社会非常关注的议题。碳减排和碳中和不仅关系到人类未来的生存与发展，还涉及到全球各国经济增长与环境保护的现实平衡。
区域碳平衡状况主要涉及两个方面的因素：一方面，植被通过光合作用固定大气中的CO2，另一方面植被、土壤、人和动物的呼吸作用以及人类的生产活动向大气释放CO2。因此通过估算各种生态系统与大气间的CO2通量，可以判定CO2的收支状况，即各生态系统从大气中吸收的CO2与排放到大气中的CO2总量是否平衡。
植物的净碳收支是一个碳获得过程(光合作用、树木生长、树龄增长)与碳释放过程(生物呼吸、树木死亡、凋落物微生物分解)之间的平衡，这些过程在时间尺度上的变化，从日变化、季度变化、年变化以至于更大尺度，受若干气候和环境因子变化的影响，如温度、湿度以及扰动频率的变化。目前估算植被生态系统碳平衡的主要包括反映CO2通量的微气象测定法(涡度相关法)和反映碳蓄积的现存生物量清算方法。人类活动排放CO2来源包括：人类活动引起的土地利用变化导致的CO2排放(如开垦、火烧等)以及工业生产、交通运输、生活等部门CO2排放。城市是人类社会经济活动最密集的区域，是碳排放的主要来源地，有必要对城市碳收支状况进行分析，以确定城市不同区域的碳汇和碳源状态，为开展城市碳中和提供基础。
CO2在大气中的分布是流动的，这些干扰因素的存在使得实验操作和测量的稳定性与精确度面临巨大挑战，增加了定量计算区域碳收支难度。目前对碳收支的研究大多集中在自然生态系统，所建立的计算模型也都是关于森林、草地、农田、湿地等单一生态系统，研究区域是生态特征比较典型且相对单一的自然生态系统，受人为因素干扰较小，与包括多个生态系统的城市区域特征不同。
城市既包括自然和人工生态系统，也包括社会经济系统，受到经济发展、城市化等一系列人为活动的影响，是一个“自然-人文”相结合的生态系统，比单纯的自然生态系统要复杂的多，因此在研究其碳收支平衡时面临诸多不确定因素。因此现有的碳收支的研究方法无法适用于城市等非单一自然生态系统的场合。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳平衡状态确定方法及系统，以实现非单一自然生态系统的场合的碳平衡的研究。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种碳平衡状态确定方法，所述方法包括如下步骤：
对研究区域进行格网化处理；
利用碳固定模型计算每个格网的碳固定量；
利用碳排放模型计算每个格网的碳排放量；
根据每个格网的碳固定量和碳排放量计算每个格网的碳平衡余量，每个格网的所述碳平衡余量用于表征每个格网的碳平衡状态。
可选的，所述碳固定模型为：
其中，Csi为第i个格网一年的固碳量；αij为第i个格网第j类生态系统的年净固碳能力；Aij为第i个格网第j类生态系统的面积，生态系统的种类包括森林植被、园林绿地、农田和湿地。
可选的，所述碳排放模型为：
Cdi＝Cdpi+Cdsi+Cddi+Cdti
其中，Cdi为第i个格网一年的排碳量；Cdpi为第i个格网工业企业化石燃料消费年排碳量；Cdsi为第i个格网服务业企业能源消费年排碳量；Cddi为第i个格网家庭能源消费年排碳量；Cdti为第i个格网交通化石燃料消费年排碳量；
式中：pimn为第i个格网第m个工业企业的第n类化石燃料年消费；εn为第n类化石燃料的碳排放因子；
式中：sio为第i个格网第o个服务企业的能源年消费；η为能源的碳排放因子；
式中：dip为第i个格网内第p个家庭的人口总数；θ为人均家庭能源消费量；
式中：Lil为第i个格网第l条主要道路长度；vl为第l条主要道路平均运行速度；nlk第l条主要道路第k类燃料车年车流量；fk为第k类燃料车每辆汽车平均每小时燃料消耗量；εk为第k类燃料的碳排放因子。
可选的，所述根据每个格网的碳固定量和碳排放量计算每个格网的碳平衡余量，具体包括：
根据每个格网的碳固定量和碳排放量，利用公式CBSi＝Csi-Cdi，计算每个格网的碳平衡余量；
其中，CBSi为第i个格网的碳平衡余量；Csi为第i个格网一年的固碳量；Cdi为第i个格网一年的排碳量。
一种碳平衡状态确定系统，所述系统包括：
格网化模块，用于对研究区域进行格网化处理；
碳固定量计算模块，用于利用碳固定模型计算每个格网的碳固定量；
碳排放量计算模块，用于利用碳排放模型计算每个格网的碳排放量；
碳平衡状态计算模块，用于根据每个格网的碳固定量和碳排放量计算每个格网的碳平衡余量，每个格网的所述碳平衡余量用于表征每个格网的碳平衡状态。
可选的，所述碳固定模型为：
其中，Csi为第i个格网一年的固碳量；αij为第i个格网第j类生态系统的年净固碳能力；Aij为第i个格网第j类生态系统的面积，生态系统的种类包括森林植被、园林绿地、农田和湿地。
可选的，所述碳排放模型为：
Cdi＝Cdpi+Cdsi+Cddi+Cdti
其中，Cdi为第i个格网一年的排碳量；Cdpi为第i个格网工业企业化石燃料消费年排碳量；Cdsi为第i个格网服务业企业能源消费年排碳量；Cddi为第i个格网家庭能源消费年排碳量；Cdti为第i个格网交通化石燃料消费年排碳量；
式中：pimn为第i个格网第m个工业企业的第n类化石燃料年消费；εn为第n类化石燃料的碳排放因子；
式中：sio为第i个格网第o个服务企业的能源年消费；η为能源的碳排放因子；
式中：dip为第i格网内第p个家庭的人口总数；θ为人均家庭能源消费量；
式中：Lil为第i个格网第l条主要道路长度；vl为第l条主要道路平均运行速度；nlk第l条主要道路第k类燃料车年车流量；fk为第k类燃料车每辆汽车平均每小时燃料消耗量；εk为第k类燃料的碳排放因子。
可选的，所述碳平衡状态计算模块，具体包括：
碳平衡状态计算子模块，用于根据每个格网的碳固定量和碳排放量，利用公式CBSi＝Csi-Cdi，计算每个格网的碳平衡余量；
其中，CBSi为第i个格网的碳平衡余量；Csi为第i个格网一年的固碳量；Cdi为第i个格网一年的排碳量。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种碳平衡状态确定方法，所述方法包括：对研究区域进行格网化处理；利用碳固定模型计算每个格网的碳固定量；利用碳排放模型计算每个格网的碳排放量；根据每个格网的碳固定量和碳排放量计算每个格网的碳平衡余量，每个格网的所述碳平衡余量用于表征每个格网的碳平衡状态。本发明首先对研究区域进行格网化处理，然后针对每个格网利用碳固定模型和碳排放模型确定其碳平衡余量，实现非单一自然生态系统的场合的碳平衡的研究。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种碳平衡状态确定方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种碳平衡状态确定方法及系统，以实现非单一自然生态系统的场合的碳平衡的研究。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明将城市进行格网化，假定每个格网在计算过程中是一个相对封闭空间，计算城市每个格网的碳排放与生态系统净碳固定，分析碳平衡状态，为制订城市碳中和决策提供科学支持。
如图1所示，本发明提供一种碳平衡状态确定方法，所述方法包括如下步骤：
步骤101，对研究区域进行格网化处理。
因为碳排放数据一般为点状数据，需要将研究区域进行格网化处理，然后将碳排放点状数据与植被净固碳数据分别投射到相应网格中，最后取二者之差作为碳平衡余量的分析依据。
步骤102，利用碳固定模型计算每个格网的碳固定量。
碳固定是指区域生态系统对大气二氧化碳的净吸收，通过植物光合作用吸收碳减去动植物呼吸与分解排放碳得到。碳吸收途径主要包括森林植被、园林绿地、农田和湿地(河流、湖泊、水库、坑塘等)。依据步骤101提出的格网化处理方案，按照以下公式计算格网内碳固定量：
式中：Csi是指第i个格网年固碳量(t/a)；αij为第i个格网第j类生态系统年净固碳能力(t/(hm2·a))；Aij为第i个格网第i类生态系统的面积(hm2)。
步骤103，利用碳排放模型计算每个格网的碳排放量。
碳排放是指区域社会经济系统的碳排放功能，需要生态系统提供碳汇供给服务来中和，以保持区域碳平衡。碳排放主要包括以下途径：(1)工业企业排放；(2)服务业排放；(3)家庭排放；(4)交通运输排放。依据步骤一提出的格网化处理方案，按以下方法计算格网内碳排放量：
Cdi＝Cdpi+Cdsi+Cddi+Cdti
式中：Cdi是指第i个格网年排碳量(t/a)；Cdpi为第i个格网工业企业化石燃料消费年排碳量(t/a)；Cdsi为第i个格网服务业企业能源消费年排碳量(t/a)；Cddi为第i个格网家庭能源消费年排碳量(t/a)；Cdti为第i个格网交通化石燃料消费年排碳量(t/a)。生态系统的种类包括森林植被、园林绿地、农田和湿地。
工业企业化石燃料消费年排碳量：
式中：pimn为第i个格网第m个工业企业的第n类化石燃料年消费(t/a)；εn为第n类化石燃料的碳排放因子；
服务业企业能源消费年排碳量：
式中：sio为第i个格网第o个服务企业的能源年消费(t/a)；η为能源的碳排放因子；
式中：dip为第i个格网内第p个家庭的人口总数(人)；θ为人均家庭能源消费量(t/(人·a))；
交通化石燃料消费年排碳量：
式中：Lil为第i个格网第l条主要道路长度(km)；vl为第l条主要道路平均运行速度(km/h)；nlk第l条主要道路第k类燃料车年车流量(辆/a)；fk为第k类燃料车每辆汽车平均每小时燃料消耗量(t/辆或(kw/h)/辆)；εk为第k类燃料的碳排放因子。
步骤104，根据每个格网的碳固定量和碳排放量计算每个格网的碳平衡余量，每个格网的所述碳平衡余量用于表征每个格网的碳平衡状态。
区域碳汇供给与消费的平衡问题，实质上就是区域碳吸收与排放的平衡问题，因此通过衡量评估区域碳吸收与排放的差值，可以确定碳汇供给区与消费区，其中碳汇供给区是指净碳固定的区域，碳汇消费区是指碳净排放区域。利用步骤二碳固定模型和步骤三碳排放模型模拟结果，基于步骤一提出的格网化处理方案，本研究引用碳平衡余量(CBS)，表示单位格网内(2km*2km)碳固定量减去碳排放量的差值。计算公式为：
CBS＝Cs-Cd；
具体的，步骤104具体包括：根据每个格网的碳固定量和碳排放量，利用公式CBSi＝Csi-Cdi，计算每个格网的碳平衡余量。
式中：CBSi为第i个格网碳平衡余量(t/a)；Csi代表第i个格网生态系统净固定碳量(t/a)；Cdi为第i个格网碳排放量(t/a)。
根据碳平衡余量，可以按照表1进行对每个格网单元分级，划分为显著亏缺、亏缺、平衡、盈余、显著盈余等5个等级。
表1 格网单元碳平衡状态分级
本发明还提供一种碳平衡状态确定系统，所述系统包括：
格网化模块，用于对研究区域进行格网化处理；
碳固定量计算模块，用于利用碳固定模型计算每个格网的碳固定量。
所述碳固定模型为：
其中，Csi为第i个格网一年的固碳量；αij为第i个格网第j类生态系统的年净固碳能力；Aij为第i个格网第j类生态系统的面积，生态系统的种类包括森林植被、园林绿地、农田和湿地。
碳排放量计算模块，用于利用碳排放模型计算每个格网的碳排放量。
所述碳排放模型为：
Cdi＝Cdpi+Cdsi+Cddi+Cdti
其中，Cdi为第i个格网一年的排碳量；Cdpi为第i个格网工业企业化石燃料消费年排碳量；Cdsi为第i个格网服务业企业能源消费年排碳量；Cddi为第i个格网家庭能源消费年排碳量；Cdti为第i个格网交通化石燃料消费年排碳量；
式中：pimn为第i个格网第m个工业企业的第n类化石燃料年消费；εn为第n类化石燃料的碳排放因子；
式中：sio为第i个格网第o个服务企业的能源年消费；η为能源的碳排放因子；
式中：dip为第i格网内第p个家庭的人口总数；θ为人均家庭能源消费量；
式中：Lil为第i个格网第l条主要道路长度；vl为第l条主要道路平均运行速度；nlk第l条主要道路第k类燃料车年车流量；fk为第k类燃料车每辆汽车平均每小时燃料消耗量；εk为第k类燃料的碳排放因子。
碳平衡状态计算模块，用于根据每个格网的碳固定量和碳排放量计算每个格网的碳平衡余量，每个格网的所述碳平衡余量用于表征每个格网的碳平衡状态。
所述碳平衡状态计算模块，具体包括：
碳平衡状态计算子模块，用于根据每个格网的碳固定量和碳排放量，利用公式CBSi＝Csi-Cdi，计算每个格网的碳平衡余量；
其中，CBSi为第i个格网的碳平衡余量；Csi为第i个格网一年的固碳量；Cdi为第i个格网一年的排碳量。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种碳平衡状态确定方法及系统，所述方法包括：对研究区域进行格网化处理；利用碳固定模型计算每个格网的碳固定量；利用碳排放模型计算每个格网的碳排放量；根据每个格网的碳固定量和碳排放量计算每个格网的碳平衡余量，每个格网的所述碳平衡余量用于表征每个格网的碳平衡状态。本发明首先对研究区域进行格网化处理，然后针对每个格网利用碳固定模型和碳排放模型确定其碳平衡余量，实现非单一自然生态系统的场合的碳平衡的研究。
本发明通过计算城市每个格网的碳排放与生态系统净碳固定，分析碳平衡状态，为降低城市碳排放、提升城市碳汇能力以及制订城市碳中和决策提供科学支持。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种碳平衡状态确定方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
对研究区域进行格网化处理；
利用碳固定模型计算每个格网的碳固定量；
利用碳排放模型计算每个格网的碳排放量；
根据每个格网的碳固定量和碳排放量计算每个格网的碳平衡余量，每个格网的所述碳平衡余量用于表征每个格网的碳平衡状态。
2.根据权利要求1所述的一种碳平衡状态确定方法，其特征在于，所述碳固定模型为：
其中，Csi为第i个格网一年的固碳量；αij为第i个格网第j类生态系统的年净固碳能力；Aij为第i个格网第j类生态系统的面积，生态系统的种类包括森林植被、园林绿地、农田和湿地。
3.根据权利要求1所述的一种碳平衡状态确定方法，其特征在于，所述碳排放模型为：
Cdi＝Cdpi+Cdsi+Cddi+Cdti
其中，Cdi为第i个格网一年的排碳量；Cdpi为第i个格网工业企业化石燃料消费年排碳量；Cdsi为第i个格网服务业企业能源消费年排碳量；Cddi为第i个格网家庭能源消费年排碳量；Cdti为第i个格网交通化石燃料消费年排碳量；
式中：pimn为第i个格网第m个工业企业的第n类化石燃料年消费；εn为第n类化石燃料的碳排放因子；
式中：sio为第i个格网第o个服务企业的能源年消费；η为能源的碳排放因子；
式中：dip为第i个格网内第p个家庭的人口总数；θ为人均家庭能源消费量；
式中：Lil为第i个格网第l条主要道路长度；vl为第l条主要道路平均运行速度；nlk第l条主要道路第k类燃料车年车流量；fk为第k类燃料车每辆汽车平均每小时燃料消耗量；εk为第k类燃料的碳排放因子。
4.根据权利要求1所述的一种碳平衡状态确定方法，其特征在于，所述根据每个格网的碳固定量和碳排放量计算每个格网的碳平衡余量，具体包括：
根据每个格网的碳固定量和碳排放量，利用公式CBSi＝Csi-Cdi，计算每个格网的碳平衡余量；
其中，CBSi为第i个格网的碳平衡余量；Csi为第i个格网一年的固碳量，Cdi为第i个格网一年的排碳量。
5.一种碳平衡状态确定系统，其特征在于，所述系统包括：
格网化模块，用于对研究区域进行格网化处理；
碳固定量计算模块，用于利用碳固定模型计算每个格网的碳固定量；
碳排放量计算模块，用于利用碳排放模型计算每个格网的碳排放量；
碳平衡状态计算模块，用于根据每个格网的碳固定量和碳排放量计算每个格网的碳平衡余量，每个格网的所述碳平衡余量用于表征每个格网的碳平衡状态。
6.根据权利要求5所述的一种碳平衡状态确定系统，其特征在于，所述碳固定模型为：
其中，Csi为第i个格网一年的固碳量；αij为第i个格网第j类生态系统的年净固碳能力；Aij为第i个格网第j类生态系统的面积，生态系统的种类包括森林植被、园林绿地、农田和湿地。
7.根据权利要求5所述的一种碳平衡状态确定系统，其特征在于，所述碳排放模型为：
Cdi＝Cdpi+Cdsi+Cddi+Cdti
其中，Cdi为第i个格网一年的排碳量；Cdpi为第i个格网工业企业化石燃料消费年排碳量；Cdsi为第i个格网服务业企业能源消费年排碳量；Cddi为第i个格网家庭能源消费年排碳量；Cdti为第i个格网交通化石燃料消费年排碳量；
式中：pimn为第i个格网第m个工业企业的第n类化石燃料年消费；εn为第n类化石燃料的碳排放因子；
式中：sio为第i个格网第o个服务企业的能源年消费；η为能源的碳排放因子；
式中：dip为第i格网内第p个家庭的人口总数；θ为人均家庭能源消费量；
式中：Lil为第i个格网第l条主要道路长度；vl为第l条主要道路平均运行速度；nlk第l条主要道路第k类燃料车年车流量；fk为第k类燃料车每辆汽车平均每小时燃料消耗量；εk为第k类燃料的碳排放因子。
8.根据权利要求5所述的一种碳平衡状态确定系统，其特征在于，所述碳平衡状态计算模块，具体包括：
碳平衡状态计算子模块，用于根据每个格网的碳固定量和碳排放量，利用公式CBSi＝Csi-Cdi，计算每个格网的碳平衡余量；
其中，CBSi为第i个格网的碳平衡余量；Csi为第i个格网一年的固碳量，Cdi为第i个格网一年的排碳量。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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