NASA卫星对城市二氧化碳排放新研究：人口越多二氧化碳排放越少

近日，美国国家航空航天局(NASA)和美国大学对全球20个主要城市的二氧化碳排放进行了一项新的研究，该研究首次提供了基于卫星的直接证据，表明除了一些明显的特殊例子之外，随着一个城市人口密度的增加，其人均二氧化碳排放量将下降。这项研究还表明，卫星对这种强大温室气体的测量，可以为快速增长的城市提供新的工具来跟踪二氧化碳排放，并对政策变化和基础设施改善对其能源效率的影响进行评估。

在与能源生产相关的全球二氧化碳排放中，城市占比在70%以上，而持续的快速城市化也正在增加城市的数量和规模。研究虽然表明，随着一个城市人口密度的增加，其人均二氧化碳排放量将下降，但是仍然有一些人口密集城市的人均二氧化碳排放量要比其他城市要高。

为了更好地理解个中原因，来自盐湖城犹他大学的大气科学家Dien Wu和John Lin与美国宇航局戈达德太空飞行中心以及密歇根大学的同僚进行了合作。他们利用NASA轨道碳观测2号卫星(OCO-2，由NASA喷气推进实验室管理)最近获得的二氧化碳估计值，计算了20个城市地区的人均二氧化碳排放量，这些城市都分布在几个大陆上的。根据OCO-2数据的质量和数量，研究人员选择了跨越一系列人口密度范围的城市，其中植被最少的城市更受欢迎，因为植物会吸收和排放二氧化碳，使得解释测量结果复杂化。研究包含有两座美国城市——拉斯维加斯和凤凰城。

许多科学家和政策制定者认为，估计和了解主要城市二氧化碳排放差异的最佳方法是采用一种“自下而上”的方法，即编制一份由工业设施、农场、公路运输和发电厂产生的化石燃料排放清单。在获得遥感数据集之前，这种自下而上的方法是唯一可行的方法。这种方法可以根据燃料类型(煤、石油、天然气)和部门(发电、运输、制造业)提供排放估计，但也可能遗漏掉一些排放，特别是在快速发展的城市地区。

不过在这项研究中，研究人员采用了一种“自上而下”的方法来计算排放量，即利用卫星获取的数据来估算城市上空的二氧化碳含量。

Lin说：“其他人曾经使用过燃料统计数据、一个人开车行驶的英里数或一个人的房子有多大来计算人均排放量。但我们是从太空向下看，真实地测量一个城市的二氧化碳浓度。”

这项2月20日发表在《环境研究快报》(Environmental Research Letters)杂志上的研究发现，人口密度较高的城市人均二氧化碳排放量通常较低，这与此前基于自下而上排放清单的研究一致，但卫星数据还提供了一些新的见解。

密歇根大学气候、太空科学与工程首席研究员兼副教授埃里克·科尔特(Eric Kort)说：“我们的想探究的问题是：当人们生活在人口更密集的城市时，他们会排放更少的二氧化碳吗?从我们的分析中得出的总体答案是肯定的，人口密集城市的二氧化碳排放量更低。不过这还不是一个完整的结论，因为我们只看到了局部的直接排放，但我们的研究确实提供了另一种直接观察评估，这是以前完全没有的。”

密度因素

科学家们推测，人口更稠密的城市之所以有着更少的人均二氧化碳排放量，是因为他们的能源使用效率更高：也就是说，由于公共交通和多户型住宅高效供暖制冷的因素，这些区域人均所需的能源要更少。卫星数据可以帮助我们更好地理解这种关系，因为这些数据描述了所有来源的总排放量。这些信息可以与更具体的自下而上清单结合起来，帮助城市管理者制定资源利用效率更高的发展计划，并对未来的二氧化碳排放做出更好的估计。

然而，OCO-2的数据也显示，并非所有人口稠密城市地区的人均排放量都较低。拥有主要发电设施的城市，比如银川和约翰内斯堡，其排放量就高于其人口密度所显示的水平。

Lin说：“卫星探测到的二氧化碳羽流来自于发电厂，而不是真正使用电力的城市。”

Wu补充说：“一些城市并没有产生其人口密度水平所显示的那么多二氧化碳，但它们消耗的商品和服务也会导致其他地方的二氧化碳排放增加。”

高人口密度低排放这个观测结论的另一个例外是富裕水平。像凤凰城这样富裕的城市，其人均排放量就比印度海得拉巴这样人口密度相似的发展中城市要高。研究人员推测，凤凰城较高的人均排放量是由诸如开车率更高、房子更大、空调条件更好等因素造成的。

展望未来

研究人员强调，关于城市二氧化碳排放还有很多需要了解的地方。他们相信，去年发射到国际空间站的OCO -3(OCO-2的继任者)，以及未来基于太空的二氧化碳观测任务，可能会为缓解城市碳排放带来潜在的解决方案。

Wu说，“很多人对大城市的二氧化碳排放很感兴趣，此外，有几个地方的高二氧化碳排放量不一定与人口有关。卫星可以探测并量化全球各地的二氧化碳排放。”

OCO-2于2014年发射升空，它收集了全球大气中二氧化碳(气候变化的主要人为驱动因素)的测量数据，其分辨率、精确度和覆盖范围有助于了解二氧化碳在地球系统中的移动方式，以及二氧化碳随着时间推移的变化方式。在太空的有利位置上，OCO-2每天在全球范围内进行大约10万次大气二氧化碳测量。

但OCO-2并没有优化到可以监测城市或发电厂的碳排放，只有直接从城市或者发电厂上空飞过，或者天文台重新定向OCO-2指向城市和发电厂的方向，它才可以观测到这些目标。而相比之下，从去年夏天就开始每天收集二氧化碳测量数据的OCO-3具有一个灵活的镜像指向系统，OCO-3可以借助它捕捉“快照地图”。在几分钟内，它就可以对特定区域创建详细的二氧化碳小型地图，最小可以观察一个小独立发电厂，最大可以观察面积2300平方英里(6400平方公里)的城市区域，如洛杉矶盆地，这样的工作需要花费OCO-2几天的时间才能完成。

原文https://phys.org/news/2020-03-nasa-satellite-urban-carbon-dioxide.html