科学家如何精准测量每一块国土空间的碳收支？

我们做的是“碳的秤与尺”

在中国科学院生态环境研究中心，我们长期盯着一件看似抽象、其实与每个人息息相关的事情：一座城市每天究竟“呼出”多少二氧化碳（排放），又能“吸入”多少（碳汇）？

如果把二氧化碳想象成空气里漂浮的细沙，我们做的工作，就是把这一粒粒细沙称准、量稳、装袋可清点——把它从整个城市“模模糊糊的一堆”，变成分门别类、每个地块有自己精准的可计量、可报告、可核查（MRV）的“透明的标准袋”。有了这把“秤与尺”，政府才能精准治理，企业才能合规交易，公众也能在看得见的坐标里参与绿色生活。

城市典型碳源汇示意及核算方法

（图片来源：作者使用AI生成）

为什么一定要“精细化”：从“总账”到“分账户”

传统的碳排放清单像家里的电表一样，能告诉我们“这一年一共用了多少电”，但冰箱用了多少电？电视用了多少电？微波炉、洗衣机、空调呢？如果我们想真正地节能，不是“一刀切”地停止使用所有电器，而是先了解各个电器用了多少电，再考虑怎么改变生活习惯或者淘汰老旧电器，有针对性地节能。

换到碳源汇排放清单也是一样的，虽然我们目前大概知道整个城市年碳排放统计值，但要真正实现“绿色”、“低碳”与“发展”，必须知道“天然气用在哪儿？煤用在哪儿？油消耗在哪儿？电用在哪儿？哪一家、哪一户、哪一段路甚至是哪一户的哪一个小时”。这就需要把总账拆成分类别和分地区的账户。

打个比方，过去我们只看全城的平均车速；如今我们更需要像导航软件那样精确到每条路段的拥堵，才能为城市给出“最短碳路径”：哪里先治、怎么治更划算、哪里扩大碳汇更有效、哪里具备进入交易的条件。

我们的基本方法：把城市做成“碳地图”

我们把城市看作一块“千层蛋糕”，先分层，再像拼图那样分类，最后在每一块拼图上计量碳的“收支”。

在空间层面，我们既关注看得见的地表对象，如建筑、道路、林地、水体、湿地与农田，也关注它们的使用功能与时间节律：居住、商业、工业与交通节点在工作日与周末、白天与夜间，往往呈现出不同的碳活动强度。

这些信息并不是凭空想象，而是融合了对地观测技术（卫星、航空、无人机）、地面传感器与多源统计资料，再通过人工智能进行识别、分割、插补与修正。

基于地理目标单元分割的城市精细化碳源汇核算

（图片来源：作者自制）

完成这一系列“望闻问切”之后，我们把城市切分成不规则的斑块，必要时细化到具体地块乃至单体建筑，分别核算“源”（排放）与“汇”（吸收）。

源侧涵盖电力热力、工业过程、建筑运营、道路交通与废弃物处理等与人类活动息息相关地块；汇侧则关注林草、湿地、水体、农田以及城市绿地、街角公园等蓝绿空间，体现自然生态系统对二氧化碳的吸收。每个斑块不只是一个数字，我们还为它配上参数来源、计算因子、时间戳与误差区间，形成可以被审计、可重复计算、可随时间更新的“碳地图”和“分户账本”。

基于对地观测技术的城市多尺度地理单元分割技术

（图片来源：作者自制）

我们的技术手段：碳计量“工具箱”

我们把所使用的理论、方法和模型看作一只同时装着卷尺、秤和棋盘的“工具箱”。

卷尺对应的是超大城市的目标分割与数据剖分能力——我们先把城市“切”成可核算的地理单元：从省到市和区，再从区到地块、到单体建筑与道路链段，形成一套面向高精度城市碳核算的地理单元划分技术。这把卷尺不是静态的尺板，而是会“实时更新”的，它会随着星-空-地立体监测与地面抽样调查的更新，自动对齐城市的真实版图与管理边界；它也会把定位观测、社会经济统计和城市碳核算清单的标签统一起来，保证讨论同一件事时，大家说的都是一个地方，用的都是一把尺，帐能对得上。

秤则用来把“看不见的碳”能“量准”。我们把对地观测资料（卫星、航空、地面）与社会经济统计资料拧成一股绳，既接通碳源汇核算模型，也耦合生态过程模型，形成一套定量碳核算理论与方法：碳源侧，我们先识别出电力、工业生产、居民建筑、城市交通等主要的“排放大户”。然后遵循 IPCC方法学（如基于能源消耗量和排放因子来计算排放量等）计算出各自的排放“总账”。此外，我们还要研究每个类别的时间节律特征（例如，城市中早晚高峰的道路交通碳排放量要远远高于夜间）。这样我们就得到了一张动态的、鲜活的城市碳排放地图。在碳汇侧，我们从气候、土壤、植被、水系等背景条件与管理方式出发，识别不同区域与管理模式的生态系统，通过生态系统过程模型、遥感技术等手段，对不同类别的生态系统进行“时间序列”的碳源汇模拟（例如夏季的植被在夜晚多为碳排放，而白天则多为碳汇吸收）。所有结果在“出厂”前均附上数据指纹（来源、算法版本、不确定性），配套区域化标定与MRV核查，让第三方复算与审计有据可依。

棋盘用来把每个地理单元的“源”与“汇”摆上台面、落子谋局。将碳源汇结果沉降到单元尺度后，我们进一步从结构-过程-功能-服务出发，叠加人居环境、社会经济与管理能力等维度，量化城市碳源汇的整体状态与价值：一方面给出当前排放的时空画像；另一方面测算未来减排潜力与区域“碳中和”时间表。管理者可以在这块“棋盘”上演练策略：对高排走廊优化信号配时、对园区实施节能与余热回收、把低效裸地改造成口袋公园……“黑白棋子”的布局随情景变化而即时重排，同时把时间、费用、政策约束放到同一张图上对比，做到看得见路径、算得清性价比、评得明成效。

城市交通温室气体排放走航监测系统硬件示意图

（图片来源：作者自制）

在武汉把研究变成公共服务：碳计量中心的意义

如何将实验室里的代码、公式推广应用，使更多的城市管理者、企业和居民能够用得上最新的成果呢？为此，我们与武汉市测绘研究院等单位携手，在武汉共同建设湖北省自然资源武汉“碳计量中心”，把“底图-核算-计量-核查-应用”贯通起来。测绘团队在遥感技术、本底数据等方面具有深厚基础和经验丰富，生态环境研究中心则在方法学、模型构建、参数库与误差管理上深耕多年，双方像“导演”与“演员”，把实验室里的“剧本”制成城市可用的“剧情”。通过“数据库+模型系统+可视化平台”的建设，城市治理部门可以直接使用可信的碳底图与分户账，企业可以据此完成合规盘查与项目改造，面向交易的确权与入库也有了可追溯的量值依据。这一合作并不仅仅是一次项目，而是一种机制的尝试：把“看不见的碳”变成“可导航的公共产品”。我们希望任何一位管理者、工程师或市民，都能在同一张地图上看到“问题在哪里、进展到哪一步、成效有多大”，从而让城市的低碳转型像修路架桥一样有路线、有时间表、有里程碑。

从核算到交易：把生态优势变成可计量的资产

当一张“碳地图”和一本“分户账本”稳定运行，减排与增汇就能从倡议变成资产。以自然资源碳汇为例，监测、计量、核查、确权、入库与交易环环相扣，缺一不可。在这条链路里，我们重点提供计量方法学与证据链，确保量值可溯源、误差可解释、审计可通过。这意味着生态修复、城市绿化、湿地恢复等长期投入，能逐步沉淀为可度量、可交易、可跟踪的绿色资产，让“绿水青山”真正拥有清晰的“账面价值”。

公众与我们的同频：让每一次小选择“入账可见”

计量的意义，还在于让公众看见自己的力量。少乘一次电梯、少开一天车、少用一度电，根据导航红绿灯倒计时调整开车习惯，减少急刹急加速等行为，都会在各个碳排放账户上留下清晰的痕迹。我们希望用更直观的可视化把这些“微小的改变”呈现出来——当一个社区的用能曲线因居民的共同努力而下降，地图会比任何口号更有说服力。

我们针对道路上红绿灯倒计时功能开放前和开放后，以济南齐鲁大道为例开展碳排放研究。开启后，道路车辆行驶更加平顺，整体碳排放减少了4.4%左右。若该措施推广全国，简易估算将减少约8.55TgC碳排放，几乎为全国灌木碳汇量的一半。

（图片来源：参考文献[1]）

几个常见误区

有人以为做到市级清单就足够了，我们的经验是远远不够，治理在地块，投资在项目，交易在资产，必须细化到目标单元的尺度。城市是一个复杂的系统，我们不能因为他整体排放高，就“一刀切”，而是需要精准找到问题，有针对性地解决问题。

也有人以为只要降低碳排放就好，但是碳汇是解决“双碳”的最后一公里，如果没有吸收，那么减再多的排放，也是排放。只有增汇才是抵消排放的根本方法。

此外，与其追求复杂而高深的模型，我们更看重可信、可审与可复算，因为治理需要“准确、高效和大家认可，而不是过度复杂”。同时，遥感是“眼睛”不是“答案”，必须与地面数据和机理模型相互印证，而且这也不是一次性的工作，需要像年度体检一样需要持续复查与校正，让“活账”长期保持新鲜。

因此，目前距离我们目标仍有不少路要走，需要我们继续努力！

结语：把低碳路径画在地图上

我们的目标是，把城市的“呼吸”量准，把生态的“碳交换”算清，并把结果做成能用、好用、可验证的公共产品。当“碳地图”和“分账户”成为日常治理的基础设施，绿色选择就不再停留在口号里，而是有导航、有路标、有里程碑的现实路径。我们也期待与更多城市同频共振，把“最短碳路径”画在地图上，让生态优势转化为发展优势，使“绿水青山”不仅可感，更是可计量、可交易、可积累的共同财富。

参考文献：

[1] Minghui Zhang, Di Liu et al., Assessment of urban traffic vehicle emissions reduction after integration of ‘traffic light countdown’ module in navigation. Environ. Res. Commun. 2025. (7) 031007