全球二氧化碳的分布和循环——全球“温室效应"探讨之一

本文根据大量的研究资料和成果,系统阐述了自然界碳和二氧化碳的起源、变迁、分布和循环过程,揭示了自然界二氧化碳分布和循环的基本规律,弄清了CO₂和它的各个自然貯库之间的关系,并对大气圈中CO₂的源、汇和通量进行了探讨。文章还论述了人类活动对大气中CO₂的冲击和扰动,指出人类活动所排放的CO₂是大气中 CO₂浓度增加的主要原因,而人为破坏地球的植物生存系统也是促使大气中 CO₂浓度增加的原因之一;大气中 CO₂的增加将严重影响全球的气候和环境,给人类带来难以预料的灾难。      

碳捕获与储存

碳捕获与储存（CCS）是减轻矿物燃料排放对全球变暖影响的一种手段。这个过程是从大的点源如矿物燃料厂捕获CO₂,然后储存起来使之不能进入大气中。这项技术也是一种从空间"净化"CO₂的地球工程技术,也可以用来以生物的方式捕获和储存CO₂,例如掩埋高温分解的最终产品——生     

钢铁高炉煤气二氧化碳捕集技术经济性分析

基于固定单一原料气量导向、固定碳捕集量导向和固定混合原料气量导向3种不同的碳捕集情景,结合不同捕集技术CO₂捕集率与CO₂产品纯度的变化,分析了CO₂捕集对于高炉煤气热值提升的间接经济效益的影响。结果表明:当CO₂捕集率和CO₂产品纯度均一定时,基于固定单一原料气量导向较基于固定碳捕集量导向情景捕集单位质量CO₂提升的热值效益更高;当CO₂捕集率一定时,随着CO₂产品纯度降低,基于固定单一原料气量导向情景与基于固定碳捕集量导向情景捕集单位质量CO₂提升的热值效益均更高;当CO₂产品纯度一定时,随着CO₂捕集率降低,基于固定单一原料气量导向情景捕集单位质量CO₂的热值提升效益越高,而基于固定碳捕集量导向情景捕集单位质量CO₂提升的热值效益降低。     

深部储层中CO2沿断层泄漏量的影响因素

CGS（CO₂地质储存）是CO₂减排的重要手段之一,天然裂隙的存在则是CGS的潜在风险.CO₂地质储存过程中储层上覆盖层及其浅部含水层是防止CO₂泄漏的天然屏障,为了探究深部咸水层中CO₂沿断层的泄漏过程并获得断层渗透率及储层中超临界CO₂流体初始条件（初始饱和度、初始泄漏压力）对CO₂沿断层泄漏速率和泄漏量的影响程度,依据鄂尔多斯CO₂灌注工程示范区资料,使用多相、多组分溶质运移数值模拟软件TOUGH2建立了2D概念模型.结果表明,深部咸水层中的CO₂在压力差和浓度差的作用下沿断层发生泄漏,到达浅部含水层后开始发生侧向运移,100 a内运移了约200 m的水平距离;由于浮力的作用,CO₂集中在含水层顶板处,有效地防止了CO₂向外泄漏.影响因素分析表明,100 a内断层渗透性能为低渗、中渗和高渗条件时,CO₂累积泄漏量分别为0、1 050和3 000 t;CO₂初始饱和度分别为0.20、0.50和0.99时,CO₂累积泄漏量分别为550、1 050和1 650 t;初始泄漏压力分别为17.3、17.6和18.1 MPa时,CO₂累积泄漏量则分别为900、1 050和1 400 t.除此之外,断层渗透性、CO₂初始气体饱和度和初始泄漏压力对CO₂泄漏的影响还体现在泄漏发生时间和平均泄漏速率上.研究显示,各因素对CO₂沿断层泄漏过程的影响程度表现为断层渗透性能> CO₂初始饱和度> CO₂初始泄漏压力.      

三峡库区万州段典型干支流水华期CO2通量变化

三峡库区的CO₂排放近年来引起了学界的广泛关注,但水华期间的生物化学作用对CO₂产生和汇集的影响研究并不多见。以三峡库区万州段干流、典型支流(澎溪河)为研究对象,分析水华期间生化过程对水体中CO₂产汇的影响。研究表明：干流、支流CO₂浓度和通量与环境因子、生源物质的相关性存在显著空间差异性;支流水体CO₂浓度与水温、pH、DO呈显著负相关,与DOC、DTP呈显著正相关;水气界面CO₂通量与水温存在显著负相关,与DTP、CO₂浓度显著正相关。干流水体CO₂浓度与pH显著负相关,与DIC、DOC、NH⁺₄-N显著正相关;水气界面CO₂通量与NH⁺₄-N、CO₂浓度显著正相关;高阳、黄石、万州3个点位水气界面CO₂通量与各自表层水体CO₂浓度变化...     

上海市居民出行方式与城市交通CO2排放及减排对策

以上海市居民出行方式为研究对象,利用联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)温室气体排放计算指南中关于交通能源消费碳排放量的计算方法,探讨2002—2006年上海市居民出行选择的不同交通方式对CO₂排放的影响和规律,并提供应对策略.结果表明,2002年以来上海市因居民出行导致的交通CO₂排放总量呈显著增长趋势.私家车的CO₂排放量增加速度最快,截至2006年私家车CO₂排放量约相当于出租车、轨道交通和公交车3种公共交通方式之和.公共交通中,出租车的CO₂年排放量和人均CO₂排放量都最大,轨道交通的CO₂年排放量和人均CO₂排放量最小.公交车和出租车的CO₂排放量所占比例减少,轨道交通的CO₂排放量所占比例增加,这种排放结构的变化有利于减少CO₂排放总量.CO₂减排的具体措施包括限制私家车数量,设计合理的道路交通方案,使汽车尽可能接近其经济车速,改变汽车燃料种类等,其中限制私家车数量最为关键.      

基于BP神经网络的甘肃省二氧化碳排放预测及影响因素研究

基于排放因子法估算2000—2020年甘肃省三大产业及生活能源消费直接CO₂排放量,描述分析其时序演变特征。建立BP神经网络模型并预测2021—2030年甘肃省CO₂排放量。构建甘肃省CO₂排放影响因素的STIRPAT拓展模型,利用多元回归分析定量探究了各因素对CO₂排放量的影响程度和内在作用机理,并结合随机森林进一步识别重要影响因素。结果表明：甘肃省产业及生活能源消耗直接CO₂排放总体呈波动增长趋势,且第二产业占比在70%以上,是主要的CO₂排放源;BP神经网络模型的预测误差为2×10^-4,相关系数>0.99,对于预测甘肃省CO₂排放具有较高精度,并得出2026年的甘肃省能源消耗直接CO₂排放量达到最大;甘肃省CO₂排放的驱动因素作用差异显著,CO₂排放强度、经济发展、城乡消费对CO₂排放的正向作用较大,城镇居民人均消...     

准好氧填埋工艺氧气浓度对甲烷与二氧化碳浓度的影响研究

构建了准好氧填埋模拟装置,在其产气相对稳定期间,测定填埋装置内不同点位的ψ(O₂),ψ(CH₄)和ψ(CO₂),并用数学模型对ψ(O₂)与ψ(CH₄)和ψ(CO₂)之间的关系进行拟合.结果表明:随着ψ(O₂)的增加,上层ψ(CH₄)呈对数规律下降,而ψ(CO₂)呈线性规律下降;中层ψ(CH₄)和ψ(CO₂)均呈指数规律下降;下层ψ(CH₄)呈指数规律下降,而ψ(CO₂)先保持在34%左右波动,当ψ(O₂)大于1.8%后呈指数规律下降.上层主要为好氧带,ψ(CH₄)低于ψ(CO₂);中层主要为兼氧带,当ψ(O₂)小于5.8%时ψ(CH₄)高于ψ(CO₂),而当ψ(O₂)大于5.8%时ψ(CH₄)低于ψ(CO₂);下层主要为厌氧带,当ψ(O₂)小于2.8%时ψ(CH₄)高于ψ(CO₂),而当ψ(O₂)大于2.8%时ψ(CH₄)低于ψ(CO₂).      

高轨高时空分辨大气二氧化碳监测仪

与世界经济快速增长相伴的碳排放量增加导致了全球气候变暖加剧,已引起国际社会高度关注,减排的呼声高涨。卫星遥感具有宏观、快速、定量、准确等特点,是碳监测最可行、最有效的技术支撑手段之一。为解决现有低轨大气CO₂遥感探测中存在的时间分辨率低的问题,提出了一种地球静止轨道大气CO₂柱浓度探测的时空联合调制空间外差干涉成像光谱技术。基于该技术研制了高轨高时空分辨大气二氧化碳监测仪原理样机,具有O₂-A 0.76μm、CO₂弱吸收1.57μm和CO₂强吸收2.05μm 3个探测通道,空间分辨率优于3 km@36000 km,可实现CO₂探测精度优于2×10^-6,覆盖中国区域时间分辨率优于3.5 h的探测能力。基于原理样机开展了外场试验以及航飞试验,有效反演了不同目标区域的CO₂浓度信息,验证了高轨高时空分辨大气CO₂监测仪的技术可行性,为下一代碳监测载荷研制和数据应用提供技术基础。     

长江口崇西湿地生态系统的二氧化碳交换及潮汐影响

河口湿地具备不同于其他生态系统的典型的生物化学特征. 利用开路式涡度相关系统,对长江口崇西湿地净生态系统CO₂交换(NEE)进行了初步研究. 结果表明,生长季CO₂交换呈V字型特征,平均CO₂交换量为-0.06 mg/(m2>/sup>·s);非生长季无明显特征,平均CO₂交换量为0.025 mg/(m2>/sup>·s). 这与其他生态系统CO₂交换特征相符合,主要是生长季的植被光合固碳作用所致. 非生长季的净生态系统CO₂交换比生长季受土壤温度的影响更大. 大潮期和小潮期的CO₂交换表明,无论是生长季还是非生长季,小潮期从生态系统释放到大气的CO₂均高于大潮期,潮汐高度与CO₂释放量呈负相关,暗示着高水位抑制生态系统呼吸和阻碍CO₂的传输,从而减少了CO₂的释放. 通过分析大潮期和小潮期的植被净光合速率发现,同一地点的植被固碳过程受潮汐的影响不很明显. 潮汐对净生态系统CO₂交换的影响主要是减少了土壤呼吸释放CO₂的过程. 总体而言,崇西湿地在年周期内表现为CO₂的汇.      

基于碳酸盐分析的水泥碳排放因子测算

为了优化水泥碳排放因子的测算方法,论文基于生料碳酸盐法以及工艺/燃料排放(新型干法窑)、无机碳/有机碳排放(立窑)的碳排放分类对熟料和水泥碳排放因子进行了分析和测算。结果表明:基于抽样调查样品的测试数据,新型干法窑的工艺碳排放因子约为520.00 kg CO_2/tcl,燃料碳排放因子约为288.06 kg CO_2/tcl,熟料碳排放因子约为808.06 kg CO_2/tcl,立窑的无机碳排放因子约为504.18 kg CO_2/tcl,有机碳排放因子约为343.67 kg CO_2/tcl,熟料碳排放因子约为847.85 kg CO_2/tcl;由于新型干法窑和余热发电等技术的普及以及熟料水泥比降低等因素,中国水泥碳排放因子有逐年降低的趋势,从2001年到2012年,水泥碳排放因子从767.13 kg CO_2/tce降到550.80 kg CO_2/tce;水泥碳排放构成中的工艺排放、燃料排放和电力消耗间接排放约各占58.57%、29.79%和11.64%。     

我国中部地区大气CO2柱浓度时空分布

基于日本GOSAT及美国AIRS反演数据产品,对我国中部六省大气CO₂时空分布特征进行研究,结果表明：由GOSAT反演的中部地区2010~2013年大气CO₂年均柱浓度由389.36×10^-6增长到396.52×10^-6,年均绝对增长率达2.39×10^-6/a,呈现出冬春季高值、夏秋季低值的季节变化特征,其柱浓度年均值及去长期趋势后的月均值均略低于长三角地区,高于京津冀和东三省地区;其CO₂柱浓度高值区集中在湖南、江西及周边一带,年均绝对增长率为2.01×10^-6,其柱浓度年均值及去长期趋势后的月均值与长三角地区相当,略低于京津冀和东三省地区,由于受地面源汇影响较小,其与GOSAT反演结果相反,可能是由于AIRS反映了对流层中层大气状况,而GOSAT则更多地反映了近地面层大气CO₂变化.     

树脂基固态胺吸附材料的选择性CO2吸附性能

基于简单的湿浸渍法将聚乙烯亚胺(PEI)有效负载到多孔树脂(HP20)中,制备获得树脂基固态胺吸附材料,并探究了PEI负载量(30%~60%)、吸附温度(30~90℃)和压力(2~100kPa)对材料CO₂吸附性能的影响.研究表明树脂基固态胺吸附材料的最佳PEI负载量为50%,过量的PEI会致使材料CO₂吸附容量和胺基利用效率的显著降低.所筛选的材料在较低或较高的CO₂分压范围内均能展现出优异的CO₂吸附性能,在30℃下的CO₂吸附容量达到3.06~3.78mmol/g,表明该材料在不同CO₂分压的多种碳捕集应用中均有着较好的适用性.此外,树脂基固态胺吸附材料的CO₂/CH₄和CO₂/N₂选择性在2~100kPa的压力范围内分别有262~5858和708~11551,在各类传统或新兴的固体吸附材料中处于较高水平.     

唐山上空CO2和CO浓度特征的飞机探测研究

为研究唐山城市上空CO₂与CO浓度时空分布,进一步定量其碳排放,于2018年11月~2019年3月,利用运十二飞机搭载高精度温室气体分析仪和相关辅助设备,对唐山市上空（200m~4600m）CO₂与CO浓度进行飞机探测.探测期间共取得6组CO₂和CO浓度垂直廓线数据.结果表明：探测期间CO₂浓度变化范围406×10^-6~453×10^-6,CO浓度变化范围27×10^-9~1135×10^-9.夜间探测有明显的混合层存在时,CO₂与CO浓度分布在混合层内有向上聚集现象,且在混合层顶均达到最大值;白天探测无明显的混合层存在时,浓度整体随高度增加而减小.在探测期间整层的平均风力小于4级时,CO₂和CO浓度极显著相关,CO₂和CO浓度比变化范围32.2~43.9.以2019年2月23日白天的架次为案例进行分析,微风条件下空气团经过城市后,CO₂和CO浓度均有所增加,显示当日唐山是CO₂和CO的源,结合质量平衡法或大气反演模式可以进一步估算城市CO₂和CO排放量.     

最终需求拉动下的中国碳排放研究

论文从中国GDP的构成入手,运用投入产出法,研究CO₂排放量增长的经济拉动因素,分析不同的经济因素对中国CO₂排放量增长的拉动贡献。得出以下几个结论：①居民消费和投资是拉动中国CO₂排放量持续增长的两大助推器,且鉴于中国未来经济的发展态势,预计未来由居民消费和投资拉动的CO₂排放量比重会呈缓慢上升趋势;②消费中各产品部门的CO₂排放量较为分散,但以石油天然气开采业为代表的其他行业及机械、电气、电子设备制造业、电力、蒸汽、热水生产和供应业等比例相对较重;③政府消费拉动的CO₂排放量份额较小,且其贡献比例呈现逐渐下降的趋势;④进出口对CO₂排放量有相反的效应,且在未来,中国可能出现进出口拉动的净CO₂排放量逐渐增加的态势。     

我国中部六省CO2排放动态变化趋势

探讨区域CO₂排放的长期变化趋势对制订碳减排政策和实现减排目标具有重要意义,为此,根据IPCC指南,测算了2000—2012年我国中部六省(安徽省、山西省、河南省、湖北省、湖南省和江西省)的CO₂排放量及其排放强度;借助DEA(data envelopment analysis)-Malmquist指数模型,从CO₂排放量、生产总值、资本存量、能源消费总量和劳动力5个方面,对中部六省的动态CO₂排放效率进行了全要素分析.结果表明:①中部六省的CO₂排放总量由2000年的6.74×108 t升至2012年的20.24×108 t,年均增长1.12×108 t.②中部六省CO₂排放强度由2000年的3.41降至2012年的1.74,年均下降5.5%.受地区能源产业结构的影响,山西省CO₂排放强度峰值高达11.40,减排压力与其余五省相比更为艰巨.③动态CO₂排放效率均值为1.054,呈稳步提升趋势,技术效率进步指数年均值为1.051(>1),对CO₂排放效率提升起到了拉动作用,而技术效率变动指数和规模效率指数的年均值均为0.999(<1),拉低了中部六省的CO₂排放效率.研究显示,中部六省CO₂排放量增速虽呈逐年下降趋势,但增长态势在短期内仍无法改变.CO₂排放与地区所处经济发展阶段关系密切,其排放效率的提升主要依靠技术水平的进步、低碳管理方法的推广和规模经济的发展.      

深圳市不同区域大气CO2变化特征与来源分析

于2020年12月1日~2021年12月1日分别在深圳市大学城和路边站两点位对大气CO₂和CO浓度进行了为期1a的观测.本次观测期间内两点位大气CO₂平均浓度分别为432×10^-6和439×10^-6,均呈现了“秋冬季高、春夏季低”的季节变化特征与“昼低夜高”日变化特征,且日变化特征在早晚高峰期受到交通源排放的显著影响.此外,通过引入CO₂和CO的净变化值得到大学城和路边站两点位的ΔCO₂/ΔCO值分别为136.8~184.8、59.0~119.3,结果表明机动车排放对深圳市大气CO₂贡献突出.     

二氧化碳排放达峰期、平台期及下降期定量判断方法研究

基于Bootstrap数理统计方法,构建二氧化碳排放状态判断方法模型（evaluation model on the status of CO₂ emissions,ESC）。选取排放统计基础较好的地区,利用权威机构的多源长时间序列数据,结合IPCC清单指南确定和分析二氧化碳排放数据的分布特征,包括标准差和不确定性范围（取95%置信区间）,以此作为建立碳排放达峰期、平台期及下降期的定量判断的基础,解决因核算、计量方法的不同造成排放结果的误差。研究结果表明,达峰期判断需要以峰值排放量浮动1%（0.9%~1.1%）的范围为依据,若碳排放量满足条件,则认为处于达峰期;平台期和下降期则以达峰后排放量的连续多年的年均下降率与2%（1.8%~2.2%）比较,若碳达峰后排放量的年均下降率小于2%,则认为碳排放仍处于平台期,否则认为碳排放处于下降期。基于ESC模型对欧盟和美国的历史碳排放数据进行排放状态判断,结果显示,欧盟地区在1979年碳排放达峰后,在1980-1983年进入下降期。美国在2007年碳达峰后,在2008-2012年进入下降期。ESC模型的分析结果与2个地区的排放趋势呈高度一致,表明该模型可以作为国家、地区（省份）、城市CO₂排放状态的定量判断方法,为碳排放路径分析和情景模拟研究提供重要支撑,为决策者提供科学的参考依据。     

闽江河口养虾塘养殖期和非养殖期CO2通量变化特征

为揭示河口区陆基养虾塘从养殖期到非养殖期一年间的CO₂通量变化,以福建省闽江河口鳝鱼滩陆基养虾塘为研究对象,于2016年5月-2017年3月采用悬浮箱/静态箱-气相色谱法对养虾塘养殖期水-大气界面和非养殖期沉积物-大气界面白天CO₂垂直通量进行原位观测.结果表明:①养虾塘在整个研究期间CO₂通量变化范围为-62.87~162.81 mg/（m2·h）,平均值为（42.66±18.12）mg/（m2·h）,总体上表现为大气CO₂的释放源,且呈非养殖期CO₂通量平均值[（78.51±16.61）mg/（m2·h）]显著高于养殖期[（17.98±18.26）mg/（m2·h）]的特征.②养殖期间,养虾塘CO₂通量呈"排放-吸收"交替变化的特征,而非养殖期养虾塘一直是大气CO₂的净排放源.③养虾塘养殖期CO₂通量时间变化特征主要受到ρ（DOC）（DOC为总溶解有机碳）、ρ（SO₄2-）、ρ（Cl-）、盐度、pH、ρ（Chla）（Chla为叶绿素a）的影响,其中,pH和ρ（SO₄2-）是其主要影响因子,而ρ（TDN）（TDN为总溶解氮）、ρ（TDP）（TDP为总溶解磷）、ρ（SO₄2-）对非养殖期CO₂通量时间变化影响较大.研究显示,滨海陆基养殖塘是大气CO₂的重要来源,其排放通量多低于河流、水库等水生生态系统,但高于湖泊生态系统;养殖塘CO₂通量受人为影响明显,其较高的变异性与养殖生物、饲料投放以及浮游藻类有关.      

五台山大气CO2本底浓度及源汇特征

基于五台山站2017年1月~2020年12月的大气CO₂连续观测资料,采用平均移动过滤法（MAF）和后向轨迹分析方法,对五台山大气CO₂本底浓度及源汇特征进行研究.结果表明：五台山大气CO₂浓度受到区域或局地源汇的影响,筛分后的CO₂本底小时浓度振幅为44.9×10^-6,小于未经筛分的CO₂浓度振幅94.7×10^-6.2017~2020年CO₂本底浓度呈逐年上升趋势,但增幅放缓;抬升浓度占比有所下降,吸收浓度占比波动较小,表明人类活动对CO₂浓度的影响逐年减弱,而五台山周边地区陆地生态系统碳汇作用相对稳定.CO₂本底浓度夏季最低,秋冬季次之,春季最高;日变化夏季最明显,峰谷值分别出现在05：00和16：00,其他季节日振幅仅在0.7×10^-6~1.8×10^-6之间.与本底浓度相比,抬升浓度的差异值自10月至翌年3月明显增大,而吸收浓度的差异值在6~9月最显著,分别反映出人为活动排放源以及陆地生态系统吸收汇对CO₂本底浓度的影响.源汇浓度日变化均为单峰结构,抬升浓度白天高、夜间低,吸收浓度刚好相反.春、秋和冬季造成CO₂浓度明显抬升的地面风向主要为西南风,且随风速的增加CO₂浓度能够保持较高水平,而夏季主要为东北偏东风;春、夏季,2~4m/s的风速有利于进一步降低CO₂吸收浓度.后向轨迹分析表明,气团远距离输送对源汇浓度的影响除了取决于气团途径区域的CO₂排放情况,还与气团的空间垂直输送路径有关.