清华大学地球系统科学系副教授刘竹：全球碳排放的实时监测

12 月 10 日 - 11 日，由浙江省委人才办、绍兴市委市政府、《麻省理工科技评论》主办的全球青年科技领袖峰会暨《麻省理工科技评论》中国 “35 岁以下科技创新 35 人” 颁奖典礼在绍兴上虞举行。“35 岁以下科技创新 35 人” 2020 年中国榜单正式发布。

会上，清华大学地球系统科学系副教授刘竹分享了关于全球碳排放实时监测技术的主题演讲。

图 | 清华大学地球系统科学系副教授刘竹

气候变化对于人类的挑战，就好像地球生病。在过去百万年间，大气中二氧化碳的浓度和气温有着非常明显的关系。现在大气中的二氧化碳浓度已经达到 410PPM，地球正处于发烧的状态，病因源于大气二氧化碳浓度非常高，应对气候变化需要人类社会在数十年内停止向大气中排放二氧化碳。

刘竹所做的工作就是分析二氧化碳排放，从而使得碳减排可以 “有的放矢”，这是一个非常交叉的方向，既涉及自然系统，又与人类社会活动息息相关，而且需要调查、测量、模拟、统计等多个方面研究手段的综合。

例如，刘竹的一项正在申请中的研究，通过探测火星大气中的碳信号来验证火星上是否有生命存在，这是目前可验证火星上有生命存在的关键手段之一。

此外，他提到，中国作为世界上最大的碳排放国和应对气候变化的主要力量，在 2020 年公开发布了在 2060 年实现实现碳中和的雄伟目标。碳中和目标的实现，除了要削减能源消费和工业生产过程的二氧化碳排放，还需要发展 “负排放” 技术，将大气中现有的二氧化碳吸收回去。

刘竹与研究团队发现，一些我们日常生活中的常见材料具有发展 “负排放” 技术的潜力，其中一直被人忽视的一种材料就是水泥。水泥由于风化作用可缓慢吸收空气中的二氧化碳，这个过程非常漫长。

考虑到水泥的回收利用，可以形成二氧化碳吸收作用，若能合理利用上述作用，通过建筑物回收利用，就可创造出二氧化碳的吸收能力。据刘竹及团队的研究，1930 - 2013 年间，全球水泥材料碳吸收量达 165 亿吨二氧化碳，这表明在全球尺度上， 水泥材料在其生命周期的风化过程中具有显著的碳吸收作用。

图 | 水泥碳汇效应

这一研究预示着人类碳汇（即人类通过工业手段吸收二氧化碳）的革命性技术成为可能，该研究被《麻省理工科技评论》评为 2019 年十大突破性技术，并促成加州理工学院于 2020 年 9 月份获得 7.5 亿美元的探索人类碳汇潜力研究资助金。

随着 2020 年新冠疫情的爆发，人类的活动强度显著下降，卫星影像和地面观测都显示了局部地区空气污染物的下降，空气质量在变好，那么新冠疫情对全球的二氧化碳排放有什么影响呢？遗憾的是，当前的研究方法尚不足以分析新冠影响下的二氧化碳的时空动态变化，因为目前的二氧化碳排放的分析手段和数据都是以年为单位，且具有至少一年以上的时间滞后性。

“我们的研究总是在分析一两年甚至数年以前的情况，这就好像一个人开车的时候并没有看着前方而是看着后面，而现在的危险需要我们对当前发生的事情及时作出反应。” 刘竹表示。

每天在变化的新冠疫情，给刘竹的研究也带来了新契机，比如捕捉类似新冠疫情事件造成的碳排放变化，需要把研究的时间分辨率提高。为此，刘竹团队将人类活动产生二氧化碳排放的过程分解为能源生产、工业生产、交通运输、居民消费等过程。

而大数据技术的发展和数据采集的多样化，也给他的研究带来很大帮助，以前很多很难获得的数据，在卫星观测、GPS 定位数据、环境监测数据等的发展下也被逐渐完善。

图 | 动态变化

在这些新兴数据手段的支持下，刘竹团队与国内外合作者通过对全球 31 个国家的电力生产情况、416 个主要城市的交通拥堵指数、航班飞行数据、62 个国家的工业生产、206 个国家人口加权的全球地表温度等近实时数据的分析，构建了一套全球实时碳排放监测体系，该体系实现了全球尺度上以天为分辨率的近实时监测，并且能使减排政策调整的响应时间大大缩短。

刘竹研究发现，新冠疫情造成了 2020 年上半年全球二氧化碳排放量减少了 8.8%，这是历史上人类二氧化碳排放的最大减排量，其短期下降幅度超过第二次世界大战及 2008 年金融危机时期，据悉该研究已于 2020 年 9 月发表于《自然通讯》杂志。

目前，刘竹带领的清华大学团队正在完善这一技术体系，并且在项目网站（http://carbonmonitor.org）上实时更新全球碳排放数据，这一数据库正在被广泛采用，例如，全球碳计划已将该数据库用作估计 2020 年碳排放变化的基础数据库。

图 | 近实时碳排放数据库 Carbon Monitor

未来，全球碳排放实时监测技术也将有更广泛的应用，例如和卫星观测手段相结合实现更高时空分辨率的碳排放实时监测，以及作为一种关键性指标来表征人类活动的变化等等。