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1、pood中国城市二氧化碳排放研究蔡博峰(环境保护部环境规划院气候变化与环境政策研究中心，北京 100012)摘要：城市CO2排放占全球人为排放的绝对主体。我国由于城市建制和城市清单系统的不足，导致很难核算真正城市意义的CO2排放量。本文建立狭义城市边界和城市碳排放范围，并且基于GIS模型，初步核算了2005年中国地级市CO2直接排放(尺度1)和CO2总排放(尺度1+尺度2)，分别为17.70亿t和27.34亿t，直接排放占总排放的64.73%。中国地级市CO2总排放占当年全国总排放量的48.90%。关键词：CO2排放；狭义城市；直接排放；间接排放2010年，城市集中了全球50%以上的人口，到2
2、050年，这一比例将会达到70%。城市是人口、建筑、交通、工业、物流的集中地，也是能源消耗的高强度地区。城市的面积占地球表面不到1%，却消耗了全球76%的煤炭、63%的石油和82%的天然气。因而城市的CO2排放问题成为全球碳减排和低碳发展的核心，大城市气候领导集团(C40)的研究报告认为，城市排放了世界80%的人为温室气体，而国际能源机构(IEA)的研究认为这一比例过高，2006年应该为71%，并且在基准情景下，全球城市能源燃烧CO2排放在20062030年的增长速度是1.8%，高于全球排放增长速度1.6%，2030年城市排放占全球的比例会增长到76%。发展中国家(非OECD国家)城市CO2排
3、放增长速度和幅度会更大。毫无疑问，城市CO2直接排放和受城市地区消费引发的间接排放总量非常巨大，城市在全球人为CO2甚至是温室气体排放中处于绝对主体。因而，研究城市CO2排放特征，进而基于此制定碳减排方案，对全球低碳发展具有决定性意义。中国作为世界上最大的发展中国家，正处于经济高速增长和城市化快速发展阶段，因而中国城市CO2排放问题更值得研究和关注。然而中国真正城市意义的CO2排放研究却相对较少，对于全国城市CO2排放水平的估算尚未见公开文献。本文试图探索性研究中国城市CO2排放水平，以供研究者和决策者参考。1 问题的提出中国城市CO2排放研究存在两个困难，一是中国与西方对城市的定义不同，二是
4、中国城市CO2排放清单方法体系不完善。中国城市是一级行政区划建制，导致城市成为区域概念，从而使得全国城市CO2排放总和等于全国CO2排放量，无法凸显城市特色。中国城市和西方城市存在很大差异，根源在于建制市的管辖范围上。西方城市是指城市本身，核心和主要部分是城市建成区，是专为城市而设立的一种建制类型，和行政区划并无必然联系。而中国从1982年起开始实行5级行政管理体制后，城市成为以建成区为中心，包括了周围的广大农村、城镇，还可能包括一些相对较小城市的一种建制。因此，从行政区划角度来说，中国的城市包含了大量的农村、林地、水域、沼泽等生态系统类型，中国几乎任何一块土地都隶属于城市。而西方的建制市，几
5、乎都是狭义市，更准确地说都是城市型建制，其建制与省(州)、县建制是完全不同的两种区划建制类型。所以西方的县或郡(county)，在地域上可能会包含很多个城市，城市也可能会跨几个郡县，城市内的非建成区面积很小。发达国家估算的城市CO2排放占国家排放比例约在70%80%，而我国当前情况下，城市CO2排放总量却等于全国排放总量，城市这一极为重要的碳排放源无法突出其应有特色。这一困难严重制约了我国低碳城市发展，甚至可能误导城市低碳发展方向，也影响了我国城市同国际城市碳排放水平的比较和借鉴国际城市低碳发展的成功经验。中国城市CO2排放清单方法体系不完善，其边界、范围等关键问题尚未解决。中国部分城市编制碳
6、排放清单的方法主要参考IPCC方法体系，而IPCC方法不适用于城市尺度已经是国际共识。发达国家城市碳排放清单都包括尺度1和尺度2水平，而我国当前已经编制的许多城市排放清单基本相当于尺度1水平，城市清单内容相比国际规范有较多残缺。间接排放问题是国内外城市温室气体清单中一大难题。由于城市是一个物质和能量完全开放的系统，其间接排放无处不在，极其复杂。发达国家城市将间接排放归为两类，第1类是电力、供热的购买和外调发生的间接排放；第2类是除第1类以外的其它所有间接排放。严格意义上的生命周期温室气体排放方法需要计算所有间接排放，即第1类和第2类间接排放的总和，但当前对于城市来说显然不现实，所以西方城市主要
7、核算第1类间接排放。中国城市由于核算方法的混乱，导致同一城市出现多种碳排放量，极不利于科学研究和政府决策。鉴于以上问题，本文作者曾经提出中国城市温室气体清单研究方法，并且分析比较了城市和国家温室气体清单编制的异同，在此，本文试图探索性研究中国城市CO2排放水平。2 中国城市尺度的CO2排放清单方法当前，研究中国城市CO2排放需要解决两个关键问题，即碳排放的地理边界和排放范围。2.1 狭义城市边界中国当前城市是一个区域概念，而不是人口、经济的聚集点。如果从这一角度出发，城市CO2排放清单和区域与省级的排放清单完全一致。本文作者提出一种中国城市界定方式，称为狭义城市，以便于研究城市CO2排放。狭义
8、城市指包括城市建成区90%面积(考虑城市建成区的不规则性，所以未取100%)的最小市辖区。当前许多研究城市的学者把市辖区作为狭义城市的概念，但县升区的参考标准主要是整体经济水平，因而会把一些经济体量很大的农业县包括进来，例如北京市怀柔、平谷、门头沟、房山等区，其包括了大量的农村地区和非城市建成区。所以依据市辖区很容易高估狭义城市的面积。事实上，城市建成区是狭义城市的最佳表征，然而城市建成区同城市行政区划并不完全重合，导致数据口径无法统一，难以完成数据收集和积累。以北京为例，图1包括城市建成区90%面积的共6个区(以前的城八区，东城区和崇文区合并，命名为东城区；西城区与宣武区合并之后，命名为西城
9、区，这两个区都是中心城区)，城六区符合北京市城区的概念。以此为标准，可以很明确地将城市凸显出来，符合国际对城市的认识，同时有利于数据的收集和政策措施的制定及实施。2.2 城市CO2排放清单范围城市CO2排放范围是指所包括的排放过程。一般可分为直接排放过程和间接排放过程。具体可分为三个尺度。尺度1：所有直接排放过程，主要是指发生在清单地理边界内的温室气体排放过程。尺度2：由于电力、供热的购买和外调发生的间接排放过程。以用电为例，大部分城市的电力依靠购买或外调，所以并不直接产生温室气体排放，但可能所购电力来自火力发电，而火力发电产生温室气体，所以这部分温室气体算为城市间接排放。尺度3：未被尺度2包
10、括的其他所有间接排放。这一尺度所包括的范围很广，包括城市从外部购买的燃料、建材、机械设备、食物、水资源、衣物等等，生产和运输这些原材料和商品都会排放温室气体。西方城市温室气体清单范围绝大多数包括尺度1和尺度2，但基本没有将尺度3包括在核算范围内。如纽约等部分发达城市，已经开始考虑尺度3的温室气体排放，但并不把这部分排放量计入城市总排放量中，仅作为参考值列出。从发展趋势看，尺度3很有可能会逐步纳入城市温室气体清单范围内。本文采用的是和绝大多数西方城市一致的方法，即尺度1+尺度2作为中国城市CO2排放范围，其实质是CO2排放核算的“生产”模式和“消费”模式相结合的一种混合模式。尺度1基本可以和温室
11、气体核算的“生产”模式相对应，即本地排放，尺度2则是一种间接排放模式，属于排放核算的“消费”模式。3 中国城市尺度1 CO2排放中国狭义城市边界的获取。首先通过遥感解译获取中国地级市建成区的GIS矢量范围(该数据集是基于中国2000年土地利用GIS数据更新获取)，时间范围为2003年2006年。其次，基于GIS空间分析平台，利用地级市建成区GIS数据和中国区县级GIS数据叠加分析，获取狭义城市的范围。3.1 排放源中国当前基本没有狭义城市范围内的能源统计数据，因而需要借鉴其他数据源。欧盟和荷兰环保局联合开发了全球0.100.10(中纬度地区约10km)温室气体排放空间网格数据库，当前已经更新至
12、EDGAR version 4.1版本(2005年)，该数据库是迄今为止全球空间精度最高的温室气体排放数据库。EDGAR排放点源数据主要来源于IEA的排放点源数据库，其比较全面地核算了区域空间CO2排放信息，非常有利于计算狭义城市CO2直接排放水平。EDGAR数据库中对于大型排放源(电力、钢铁、水泥等)都是基于点源数据，对于机动车及火车等移动源则主要是基于模型利用道路网络和铁路网络计算。EDGAR数据对于排放源的分类与IPCC完全一致，CO2排放主要分为能源和工业过程，本次研究不考虑城市森林碳汇和土地利用碳排放。能源中又分为燃料燃烧活动和燃料漂逸(本研究不考虑)，而燃料燃烧活动又进一步分为能源
13、工业、制造工业和建筑业、运输业(包括民航、道路交通、铁路交通、水运交通)及居民。本次中国城市CO2排放核算数据也是采用EDGAR数据，因而可以比较完整地覆盖中国城市能源利用和工业过程各个环节的CO2排放。3.2 排放因子EDGAR数据排放因子的选择主要是依据2006年IPCC国家温室气体清单指南中的各国默认排放因子，同时部分排放源的排放因子采用IEA的排放因子数据库，也有较少部门采用公开发表研究成果中的排放因子。3.3 排放水平为了检验数据质量，将EDGAR网格数据通过空间分析和统计，计算出中国每个省(自治区、直辖市)的CO2排放总量，与中国各省(自治区、直辖市)2005年基于能源平衡表一次能
14、源消费量(直接燃烧排放)计算的CO2排放量进行对比分析(见图2)。整体而言，EDGAR和中国能源平衡表得到的CO2排放在各省级水平上有较好的一致性。但由于EDGAR对中国排放点源数据的获取精度和数量有限，由于中国各省(自治区、直辖市)能源统计的求和要高于全国能源总消费水平，而EDGAR是通过IEA计算的各国总排放量来控制国家层面的数据精度，从而导致通过各省(自治区、直辖市)统计数据的计算结果整体略高于EDGAR数据结果。但EDGAR依然是迄今可以利用的公开的温室气体空间数据集，并且EDGAR是基于点源排放水平建立的，是非常好的CO2直接排放计算基础数据，对于解决中国城市CO2排放具有重要意义。
15、因此，本文基于GIS空间分析平台和EDGAR数据库，核算中国地级市2005年狭义城市的直接(尺度1)CO2排放，共17.70亿t。对比城市CO2排放结构和国家CO2排放结构(见表1)可以看出，城市中的交通及能源比例偏高，而工业及居民偏低。由于居民能源利用分类是指直接使用的化石燃料，而城市居民尤其是中国地级市中心区居民多以使用二次能源为主，一次能源为辅，因而这一部分显得偏低。能源部分主要包括了发电及供暖的生产，是城市能源系统的重点，尤其是北方城镇的冬季采暖，所以城市这一部门的比例也高于国家层面。4 中国城市CO2总排放估算中国地级市CO2总排放(尺度1+尺度2)非常困难，主要是狭义城市相关统计非
16、常缺乏，同时尺度2涉及间接消费(主要是电力消费)。因而研究中国地级市尺度1+尺度2 CO2排放，需要采用模拟估算的方法。国际上有不少学者采用遥感数据来估算国家和区域CO2排放水平。Rayner等人利用遥感夜光数据及人口密度数据结合国家CO2排放统计数据，建立模型，实现了全球0.250排放网格数据。Oda等人利用遥感夜光数据和全球主要CO2排放点源数据，建立了全球1km网格CO2排放数据。本研究借鉴Rayner和Oda等人的CO2排放研究模型，建立中国基于消费(基于夜光数据和人口密度)的CO2排放模型，模型计算结果是中国2005年基于消费模式的1km CO2排放网格数据。由于这一模型考虑更多的是人口密度和夜晚照明的亮度，因而更多反映的是区域由于消费模式带动的能源消耗。许多研究表明，夜晚照明亮度与区域电力消费
