科學家如何精準測量每一塊國土空間的碳收支？

我們做的是“碳的秤與尺”

在中國科學院生態環境研究中心，我們長期盯著一件看似抽象、其實與每個人息息相關的事情：一座城市每天究竟“呼出”多少二氧化碳（排放），又能“吸入”多少（碳匯）？

如果把二氧化碳想象成空氣里漂浮的細沙，我們做的工作，就是把這一粒粒細沙稱準、量穩、裝袋可清點——把它從整個城市“模模糊糊的一堆”，變成分門別類、每個地塊有自己精準的可計量、可報告、可核查（MRV）的“透明的標準袋”。有了這把“秤與尺”，政府才能精準治理，企業才能合規交易，公眾也能在看得見的坐標里參與綠色生活。

城市典型碳源匯示意及核算方法

（圖片來源：作者使用AI生成）

為什么一定要“精細化”：從“總賬”到“分賬戶”

傳統的碳排放清單像家里的電表一樣，能告訴我們“這一年一共用了多少電”，但冰箱用了多少電？電視用了多少電？微波爐、洗衣機、空調呢？如果我們想真正地節能，不是“一刀切”地停止使用所有電器，而是先了解各個電器用了多少電，再考慮怎么改變生活習慣或者淘汰老舊電器，有針對性地節能。

換到碳源匯排放清單也是一樣的，雖然我們目前大概知道整個城市年碳排放統計值，但要真正實現“綠色”、“低碳”與“發展”，必須知道“天然氣用在哪兒？煤用在哪兒？油消耗在哪兒？電用在哪兒？哪一家、哪一戶、哪一段路甚至是哪一戶的哪一個小時”。這就需要把總賬拆成分類別和分地區的賬戶。

打個比方，過去我們只看全城的平均車速；如今我們更需要像導航軟件那樣精確到每條路段的擁堵，才能為城市給出“最短碳路徑”：哪里先治、怎么治更劃算、哪里擴大碳匯更有效、哪里具備進入交易的條件。

我們的基本方法：把城市做成“碳地圖”

我們把城市看作一塊“千層蛋糕”，先分層，再像拼圖那樣分類，最后在每一塊拼圖上計量碳的“收支”。

在空間層面，我們既關注看得見的地表對象，如建筑、道路、林地、水體、濕地與農田，也關注它們的使用功能與時間節律：居住、商業、工業與交通節點在工作日與周末、白天與夜間，往往呈現出不同的碳活動強度。

這些信息并不是憑空想象，而是融合了對地觀測技術（衛星、航空、無人機）、地面傳感器與多源統計資料，再通過人工智能進行識別、分割、插補與修正。

基于地理目標單元分割的城市精細化碳源匯核算

（圖片來源：作者自制）

完成這一系列“望聞問切”之后，我們把城市切分成不規則的斑塊，必要時細化到具體地塊乃至單體建筑，分別核算“源”（排放）與“匯”（吸收）。

源側涵蓋電力熱力、工業過程、建筑運營、道路交通與廢棄物處理等與人類活動息息相關地塊；匯側則關注林草、濕地、水體、農田以及城市綠地、街角公園等藍綠空間，體現自然生態系統對二氧化碳的吸收。每個斑塊不只是一個數字，我們還為它配上參數來源、計算因子、時間戳與誤差區間，形成可以被審計、可重復計算、可隨時間更新的“碳地圖”和“分戶賬本”。

基于對地觀測技術的城市多尺度地理單元分割技術

（圖片來源：作者自制）

我們的技術手段：碳計量“工具箱”

我們把所使用的理論、方法和模型看作一只同時裝著卷尺、秤和棋盤的“工具箱”。

卷尺對應的是超大城市的目標分割與數據剖分能力——我們先把城市“切”成可核算的地理單元：從省到市和區，再從區到地塊、到單體建筑與道路鏈段，形成一套面向高精度城市碳核算的地理單元劃分技術。這把卷尺不是靜態的尺板，而是會“實時更新”的，它會隨著星-空-地立體監測與地面抽樣調查的更新，自動對齊城市的真實版圖與管理邊界；它也會把定位觀測、社會經濟統計和城市碳核算清單的標簽統一起來，保證討論同一件事時，大家說的都是一個地方，用的都是一把尺，帳能對得上。

秤則用來把“看不見的碳”能“量準”。我們把對地觀測資料（衛星、航空、地面）與社會經濟統計資料擰成一股繩，既接通碳源匯核算模型，也耦合生態過程模型，形成一套定量碳核算理論與方法：碳源側，我們先識別出電力、工業生產、居民建筑、城市交通等主要的“排放大戶”。然后遵循 IPCC方法學（如基于能源消耗量和排放因子來計算排放量等）計算出各自的排放“總賬”。此外，我們還要研究每個類別的時間節律特征（例如，城市中早晚高峰的道路交通碳排放量要遠遠高于夜間）。這樣我們就得到了一張動態的、鮮活的城市碳排放地圖。在碳匯側，我們從氣候、土壤、植被、水系等背景條件與管理方式出發，識別不同區域與管理模式的生態系統，通過生態系統過程模型、遙感技術等手段，對不同類別的生態系統進行“時間序列”的碳源匯模擬（例如夏季的植被在夜晚多為碳排放，而白天則多為碳匯吸收）。所有結果在“出廠”前均附上數據指紋（來源、算法版本、不確定性），配套區域化標定與MRV核查，讓第三方復算與審計有據可依。

棋盤用來把每個地理單元的“源”與“匯”擺上臺面、落子謀局。將碳源匯結果沉降到單元尺度后，我們進一步從結構-過程-功能-服務出發，疊加人居環境、社會經濟與管理能力等維度，量化城市碳源匯的整體狀態與價值：一方面給出當前排放的時空畫像；另一方面測算未來減排潛力與區域“碳中和”時間表。管理者可以在這塊“棋盤”上演練策略：對高排走廊優化信號配時、對園區實施節能與余熱回收、把低效裸地改造成口袋公園……“黑白棋子”的布局隨情景變化而即時重排，同時把時間、費用、政策約束放到同一張圖上對比，做到看得見路徑、算得清性價比、評得明成效。

城市交通溫室氣體排放走航監測系統硬件示意圖

（圖片來源：作者自制）

在武漢把研究變成公共服務：碳計量中心的意義

如何將實驗室里的代碼、公式推廣應用，使更多的城市管理者、企業和居民能夠用得上最新的成果呢？為此，我們與武漢市測繪研究院等單位攜手，在武漢共同建設湖北省自然資源武漢“碳計量中心”，把“底圖-核算-計量-核查-應用”貫通起來。測繪團隊在遙感技術、本底數據等方面具有深厚基礎和經驗豐富，生態環境研究中心則在方法學、模型構建、參數庫與誤差管理上深耕多年，雙方像“導演”與“演員”，把實驗室里的“劇本”制成城市可用的“劇情”。通過“數據庫+模型系統+可視化平臺”的建設，城市治理部門可以直接使用可信的碳底圖與分戶賬，企業可以據此完成合規盤查與項目改造，面向交易的確權與入庫也有了可追溯的量值依據。這一合作并不僅僅是一次項目，而是一種機制的嘗試：把“看不見的碳”變成“可導航的公共產品”。我們希望任何一位管理者、工程師或市民，都能在同一張地圖上看到“問題在哪里、進展到哪一步、成效有多大”，從而讓城市的低碳轉型像修路架橋一樣有路線、有時間表、有里程碑。

從核算到交易：把生態優勢變成可計量的資產

當一張“碳地圖”和一本“分戶賬本”穩定運行，減排與增匯就能從倡議變成資產。以自然資源碳匯為例，監測、計量、核查、確權、入庫與交易環環相扣，缺一不可。在這條鏈路里，我們重點提供計量方法學與證據鏈，確保量值可溯源、誤差可解釋、審計可通過。這意味著生態修復、城市綠化、濕地恢復等長期投入，能逐步沉淀為可度量、可交易、可跟蹤的綠色資產，讓“綠水青山”真正擁有清晰的“賬面價值”。

公眾與我們的同頻：讓每一次小選擇“入賬可見”

計量的意義，還在于讓公眾看見自己的力量。少乘一次電梯、少開一天車、少用一度電，根據導航紅綠燈倒計時調整開車習慣，減少急剎急加速等行為，都會在各個碳排放賬戶上留下清晰的痕跡。我們希望用更直觀的可視化把這些“微小的改變”呈現出來——當一個社區的用能曲線因居民的共同努力而下降，地圖會比任何口號更有說服力。

我們針對道路上紅綠燈倒計時功能開放前和開放后，以濟南齊魯大道為例開展碳排放研究。開啟后，道路車輛行駛更加平順，整體碳排放減少了4.4%左右。若該措施推廣全國，簡易估算將減少約8.55TgC碳排放，幾乎為全國灌木碳匯量的一半。

（圖片來源：參考文獻[1]）

幾個常見誤區

有人以為做到市級清單就足夠了，我們的經驗是遠遠不夠，治理在地塊，投資在項目，交易在資產，必須細化到目標單元的尺度。城市是一個復雜的系統，我們不能因為他整體排放高，就“一刀切”，而是需要精準找到問題，有針對性地解決問題。

也有人以為只要降低碳排放就好，但是碳匯是解決“雙碳”的最后一公里，如果沒有吸收，那么減再多的排放，也是排放。只有增匯才是抵消排放的根本方法。

此外，與其追求復雜而高深的模型，我們更看重可信、可審與可復算，因為治理需要“準確、高效和大家認可，而不是過度復雜”。同時，遙感是“眼睛”不是“答案”，必須與地面數據和機理模型相互印證，而且這也不是一次性的工作，需要像年度體檢一樣需要持續復查與校正，讓“活賬”長期保持新鮮。

因此，目前距離我們目標仍有不少路要走，需要我們繼續努力！

結語：把低碳路徑畫在地圖上

我們的目標是，把城市的“呼吸”量準，把生態的“碳交換”算清，并把結果做成能用、好用、可驗證的公共產品。當“碳地圖”和“分賬戶”成為日常治理的基礎設施，綠色選擇就不再停留在口號里，而是有導航、有路標、有里程碑的現實路徑。我們也期待與更多城市同頻共振，把“最短碳路徑”畫在地圖上，讓生態優勢轉化為發展優勢，使“綠水青山”不僅可感，更是可計量、可交易、可積累的共同財富。

參考文獻：

[1] Minghui Zhang, Di Liu et al., Assessment of urban traffic vehicle emissions reduction after integration of ‘traffic light countdown’ module in navigation. Environ. Res. Commun. 2025. (7) 031007