Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 494, № 1, стр. 97-100

Оценки антропогенных эмиссий СО2 мегаполиса Санкт-Петербурга

Ю. М. Тимофеев 1*, Г. М. Неробелов 1, Я. А. Виролайнен 1, А. В. Поберовский 1, С. Ч. Фока 1

1 Санкт-Петербургский государственный университет
Санкт-Петербург, Россия

* E-mail: y.timofeev@spbu.ru

Поступила в редакцию 16.06.2020
После доработки 17.06.2020
Принята к публикации 18.06.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Приведены оценки антропогенных эмиссий СО2 мегаполиса Санкт-Петербурга на 1 км2 и на всю площадь города (интегральные), полученные на основе наземных измерений содержаний СО2 в районе города. При помощи сопоставлений измеренных и рассчитанных (база данных ODIAC) антропогенных вкладов СО2 города решалась обратная задача по определению эмиссий. Использовались два подхода – в первом применялся томографический метод и были определены антропогенные эмиссии трех районов города на 1 км2, во втором – все доступные измерения использовались для нахождения среднего корректирующего множителя R и оценок интегральных эмиссий всего мегаполиса и центральной части. Эмиссии на 1 км2 для юга города находятся в диапазоне 32.7–48.3, для центра – 69.0–97.5 и севера – 78.2 кт/км2 год. Интегральные эмиссии СО2 центральной части и всего мегаполиса составляют 39.8 и 65.3 Мт/год соответственно. Погрешности оценок – 20–40%. Новые данные антропогенных эмиссий CO2 Санкт-Петербурга превышают ранние оценки примерно в два раза.

Ключевые слова: антропогенные выбросы CO2, Санкт-Петербург, инвентаризация, измерение CO2, ODIAC, дифференциальный метод

Мегаполисы нашей планеты в последние десятилетия в существенной степени (около 70%) определяют антропогенные эмиссии СО2 [1]. Это обстоятельство делает чрезвычайно актуальным исследования интенсивности антропогенных эмиссий СО2 в различных городах России. В СССР и России широко использовался и используется метод инвентаризации, основанный на суммировании различных источников эмиссий (объемы сжигаемого топлива, электростанции, транспорт, заводы и т.д.). Погрешности этих методов сильно варьируются (cм., например, работу [2]) от 5 до 50% и более, в зависимости от уровня развития страны, качества производимой инвентаризации и требуемого пространственного разрешения. С повышением пространственного разрешения оценок эмиссий погрешности метода инвентаризации быстро растут. В связи с этим, а также необходимостью независимого контроля выполнения международных обязательств по сокращению выбросов парниковых газов, в настоящее время активно разрабатываются и используются различные экспериментальные методы оценок эмиссий, в частности дифференциальный метод оценок антропогенных вкладов мегаполисов (см., например, [3]). Этот метод основан на измерениях локальных приземных концентраций или общего содержания в фоновой и загрязненной атмосфере города при использовании двух или более калиброванных приборов (в наветренной и подветренной частях города). Такие измерения проводились в марте-апреле 2019 г. для территории Санкт-Петербурга в рамках программы Emission Monitoring Mobile Experiment (EMME). В работе [4] описаны результаты измерений EMME, а также эмиссии СО2, CH4, NO2 и CO на единицу площади 1 км2, рассчитанные по измерениям при помощи дифференциального метода. Преимуществом такого подхода является высокая точность измерений антропогенного вклада. Например, случайные погрешности его измерений в Санкт-Петербурге были близки к 0.10 ppm (0.025%) для СО2.

Для научных и прикладных исследований очень важны оценки суммарных (интегральных) эмиссий парниковых газов мегаполисов. Оценки эмиссий СО2 Санкт-Петербурга на 1 км2 и на всю площадь города (интегральные) на основе измерений [4] приведены в сообщении.

На рис. 1 изображена большая часть территории Санкт-Петербурга (черный сплошной контур) с выделенной центральной частью (белая пунктирная линия) и с данными об антропогенных эмиссиях CO2 из базы данных с высоким пространственным разрешением (1 км2) ODIAC (Open-source Data Inventory for Anthropogenic CO2) за 2018 г. [5]. Также на рис. 1 указаны положения двух фурье-спектрометров “Bruker” EM27/SUN в разные дни измерений, которые использовались для измерений средних отношений смеси XСО2 в фоновой и загрязненной атмосфере. Стоит заметить, что данные ODIAC получены при помощи инвентаризационного подхода. Прямые линии соединяют точки измерений СО2 по ветру (фоновая атмосфера) и против ветра (загрязненная атмосфера), что позволило непосредственно измерить антропогенный вклад на каждой из использованных трасс. Расчетные значения антропогенного вклада проводились интегрированием вкладов по данным ODIAC на указанных трассах с учетом информации о направлении и скорости ветра. Отметим, что в данной работе анализируются 7 дней измерений и используют 5 различных трасс измерений.

Рис. 1.

Антропогенные эмиссии СО2 (база данных ODIAC за 2018 г.) в Санкт-Петербурге и трассы для оценок эмиссий на 1 км2 и на всю площадь города.

Как следует из рис. 1, антропогенные эмиссии СО2 существенно (на порядки) меняются на территории мегаполиса. Поэтому антропогенное приращение СО2 существенно меняется (см. табл. 1) в зависимости от используемой трассы. Так, экспериментально измеренные приращения СО2 меняются от 0.7 до 4.24 × 1019

Таблица 1.

Экспериментальные и расчетные оценки антропогенного вклада в содержание СО2 и эмиссий на 1 км2 для трех областей города – север, центр и юг

Дата (2019) EMME (2019) ODIAC (2018) R Трассы Эмиссии на 1 км2
21 марта 1.13 0.38 2.97 A1 – B7 69.0 центр
27 марта 1.67 1.8 0.93 А2 – B2 43.7 юг
1 апреля 0.70 0.92 0.76 A2 – B2 32.7 юг
3 апреля 2.05 1.1 1.87 A1 – B3 78.2 север
4 апреля 2.14 0.94 2.28 A5 – B3 68.5 средняя
6 апреля 4.24 1.21 3.5 B7 –A2 97.5 центр
24 апреля 2.19 1.12 1.96 A2 – B2 48.3 юг

Примечание. EMME – измерения приращения СО2, ODIAC – расчетные приращения СО2 (оба – 1019 мол/см2), R – корректирующий параметр, эмиссии на 1 км2 для различных районов (кт/км2 год).

мол СО2/см2, т.е. более чем в 6 раз в период наших измерений. Большой диапазон изменчивости экспериментальных приращений СО2 обусловлен большими пространственными вариациями антропогенных эмиссий на территории города и изменениями метеорологических условий (прежде всего направления и скорости ветра), а также погрешностями измерений и используемой методики оценок.

Данные об антропогенных вкладах в XCO2 для различных трасс и, следовательно, об эмиссиях различных районов Санкт-Петербурга позволяют использовать томографический подход для получения средних эмиссий отдельных районов города на 1 км2, в частности, северных, центральных и южных районов мегаполиса.

Как следует из табл. 1, эмиссии на 1 км2 для юга города находятся в диапазоне 32.7–48.3, для центра – 69.0–97.5 и севера – 78.2 кт/км2 год.

Определение интегральных эмиссий мегаполиса было осуществлено на основе базы данных ODIAC, определения отношений (R) экспериментальных и расчетных приращений СО2 для каждого района и среднего корректирующего множителя. Коррекционный множитель оказался равным 1.935. Оценки погрешностей для полученных данных показывают, что случайные погрешности составляют ~30% и обусловлены, в первую очередь, погрешностями задания скорости и направления ветра, а также используемой боксовой модели и качеством априорной информации. Учитывая, что оценка интегральной эмиссии СО2 на основе оригинальных значений базы данных ODIAC составляет 33.8 Мт/год, наши результаты, основанные на данных измерений [4], результатах ODIAC и множителе R, показали, что интегральные эмиссии для всего мегаполиса (1417 км2) составляют 65.4 ± 20 Мт/год.

В табл. 2 приведены сравнения полученных ранее оценок интегральных эмиссий Санкт-Петербурга, а также результаты EMME и результаты текущей работы. Данные ОСО-2 получены с помощью анализа спутниковых измерений [6]. Данные ODIAC – на основе базы данных [5]. Оценка базы данных CAMS (Copernicus Atmosphere Monitoring Service) приведена с учетом относительного вклада Санкт-Петербурга в прогнозы суммарных антропогенных эмиссий СО2, соответствующего ячейке этой базы (~200 × 200 км2). Из приведенных данных можно сделать вывод о том, что разные методы оценок антропогенных эмиссий дают заметно разные результаты. Так, данные, полученные при помощи инвентаризационного подхода (данные правительства Санкт-Петербурга [7] и оригинальные значения базы ODIAC) и спутниковых измерений OCO-2 дают примерно в 2 раза меньшие значения антропогенных эмиссий СО2 мегаполиса по сравнению с нашими оценками. Отличия в суммарных антропогенных эмиссиях СО2 могут быть обусловлены использованием в разных работах различной площади мегаполиса при получении суммарных значений. Например, наши оценки эмиссии для центральной части города (394 км2), которая является наиболее загруженной по данным базы ODIAC, дают существенно меньшее значение, которое составляет 39.9 ± 12 Мт/год. Другой причиной систематических отличий могут быть временные и пространственные вариации эмиссий на 1 км2 на территории мегаполиса и практически случайный характер траекторных измерений. В связи с этим важное значение имеют валидационные комплексные программы наземных, самолетных и спутниковых измерений эмиссий относительно высокого пространственного разрешения и охвата территорий мегаполисов.

Таблица 2.

Интегральные антропогенные эмиссии СО2 в Санкт-Петербурге

Источник данных Эмиссии в Мт/год
Настоящая работа, весь город 65.4 (2019)
Настоящая работа, центральная часть 39.9 (2019)
ODIAC, город 33.7 (2018)
Оценки CAMS, город 66.8 (2018)
ОСО-2 39.2 (2016. 2018)
Инвентаризация (правительство Санкт-Петербурга) 32.7 (2015)

Список литературы

  1. World Energy Outlook 2008, IEA, Paris. https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2008.

  2. Andres R.J., Boden T.A., Bréon, et al. A Synthesis of Carbon Dioxide Emissions from Fossil-Fuel Combustion // Biogeosciences. 2012. № 9. P. 1845–1871. https://doi.org/10.5194/bg-9-1845-2012

  3. Hase F., Frey M., Blumenstock T., et al. Application of Portable FTIR Spectrometers for Detecting Greenhouse Gas Emissions of the Major City Berlin // Atmos. Meas. Tech. 2015. № 8. P. 3059-3068. https://doi.org/10.5194/amt-8-3059-2015

  4. Makarova M.V., Hase F., Ionov D.V., et al. Emission Monitoring Mobile Experiment (EMME): An Overview and First Results of the St. Petersburg Megacity Campaign-2019 // Atmos. Meas. Tech. Discuss.https://doi.org/10.5194/amt-2020-87

  5. Oda T., Maksyutov S. A Very High-resolution (1 km × 1 km) Global Fossil Fuel CO2 Emission Inventory Derived Using a Point Source Database and Satellite Observations of Nighttime Lights // Atmos. Chem. Phys. 2011. № 11. P. 543–556. https://doi.org/10.5194/acp-11-543-2011

  6. Тимофеев Ю.М., Березин И.А., Виролайнен Я.А. и др. Оценки антропогенных эмиссий СО2 для Москвы и Санкт-Петербурга по данным спутниковых измерений ОСО-2. // Оптика атмосферы и океана. 2020. Т. 33. № 4. С. 261–265.

  7. Доклад об экологической ситуации в Санкт-Петербурге в 2017 году, Правительство Санкт-Петербурга, 2018. Серебрицкий И.А., (ред.). 212 с. https://www.gov.spb.ru/static/writable/ckeditor/uploads/2018/06/29/Doklad_EKOLOGIA2018

Дополнительные материалы отсутствуют.