林鴻：自主精密測量碳監測體系助力“雙碳”戰略

　　隨著2020年9月習近平主席正式提出“雙碳”概念以來，碳達峰、碳中和已經成為中國環境保護重點工作。碳達峰碳中和愿景如何實現？碳排放應該怎么精準監測？碳監測有什么好處？近日，分析測試百科網采訪了中國計量科學研究院熱工所副所長、鄭州計量先進技術研究院常務副院長林鴻研究員，其團隊長期致力于溫室氣體和大氣污染物協同治理工作。本次采訪，他將分享在城市溫室氣體和大氣污染物監測體系的研究。該研究以鄭州為試點，可實時監測鄭州的碳排放，真正地實現了“可溯源、可報告、可核查、可測量”，同時為其他城市的碳監測提供技術支撐。

中國計量科學研究院熱工所副所長、鄭州計量先進技術研究院常務副院長 林鴻研究員

躬耕計量 不忘初心

　　1979年出生，成長于湖湘大地、畢業于清華大學的林鴻，現任中國計量院熱工所室主任，鄭州計量先進技術研究院常務副院長、亞太計量區域組織(APMP)氣候變化工作組共同主席等職。

　　林鴻談到加入中國計量院的原因時說：“我在清華從師于段遠源教授，主要研究方向是工程熱物理的傳熱和治冷方面的材料物性測量，對測量工作已萌生濃厚的興趣。當時在項目合作中得知計量院正在開展關于溫度單位重新定義的工作，更感興趣；再結合認識張金濤研究員的契機，立刻決定加入中國計量院，希望能將所學的關于測量方面的經驗和知識運用到工作的崗位上。”

　　加入計量院后，林鴻的研究工作分為兩個階段。第一個階段是對溫度單位重新定義。他和團隊一同創建了世界獨有的定程雙圓柱腔聲學原級法測溫系統，成果被米制公約最高權力機構用于溫度單位的重新定義，是我國第一次對基本單位定義有貢獻的成果，獲得了2018年國家科學技術進步獎一等獎。第二個階段是目前開展的溫室氣體和大氣污染物的協同治理工作，他的團隊創建了國內首個基于精密測量的城市溫室氣體和大氣污染物排放量監測體系，實現企業排放量的精確測量和實時報告大氣污染物排放的時空分布，為大氣污染物精密監測提供了科學的測量方法和技術手段，對全國推廣具有示范作用。林鴻本人于2020年10月獲得第十六屆中國青年科技獎。

建立碳排放監測體系 為雙碳目標提供支撐

　　林鴻團隊研發的城市溫室氣體和大氣污染物排放量監測體系，從精密測量開始，實現了找出問題、提出解決方案、評估效果的閉環系統，已成功應用在雙碳問題的解決方案中。

碳監測技術落地 初步歷程已完成

　　林鴻表示：該項目的設立與實施得益于中國計量院和美國標準研究院的長期合作。早在2008年林鴻訪美期間，就學習了玻爾茨曼常數測量方面的研究工作。2010年后，歐美對碳測量和碳監測的研究熱度初起，國內團隊開始思考如何將碳監測應用到溫室氣體方面。2012年，團隊與英國物理實驗室、美國標準技術研究院等發達國家科研機構展開良好的溝通合作，整個團隊陸續前往美國去學習城市碳排放的監測體系，增加了城市碳排放的技術知識儲備。學成后的成果，曾進入2015年習主席的訪美成果清單。隨后，團隊將整體技術在北京實驗室落地和研究成功。

　　2018年，隨著相關研究成果逐漸成熟，團隊需要找到合適的應用場景即試點城市。由于鄭州貫通南北的地理位置、產業結構、人口規模、交通等典型特征，成為了項目試點城市。期間，林鴻團隊運用研究成果建立了一系列監測站點，開展了企業、交通、居民用燃氣等方面的許多基礎數據的研究，并結合大氣流動傳輸模型建立了一套反演體系，可以實時獲得整個城市的碳通量。鄭州為試點的研究工作，將所學成果完全落地實現；并涵蓋體現了生態環境部發布的435號文件（《碳監測評估試點工作方案》（環辦監測函〔2021〕435號）文件）規定的碳監測評估試點的主體內容。

　　林鴻團隊的工作，將實驗室一些大型體系落地鄭州實現本地化，建立了在國內排名領先的以精密測量為核心的城市碳排放監測體系。該工作成功實現了科研走向工程化的轉化過程，貫徹落實了習主席提出的“把論文寫在大地上”的倡議。其中，氣體濃度值的測量、站點的建立、反演等基本工作均已完成，標志著該系統已成功走完碳監測的初步歷程。

支撐碳監測試點 贏得國際認可

　　林鴻表示，城市溫室氣體和大氣污染物排放量監測體系具備“可溯源、可報告、可核查、可測量”的特征，對國家碳排放的協同處理具有重大的意義。

　　首先，該體系可以為政府決策提供科學依據。該體系可以實時監控碳排放量，通過1小時內的碳排放來判斷各區域、各行業、各類型的碳排放，實時調控，避免超出碳配額，從而加強城市碳排放的管理水平。

　　其次，該系統為碳監測提供了技術支撐，用經驗改進技術。2021年，生態環境部發布435號文件，從區域、城市和重點行業三個層面，開展碳監測評估試點。團隊在鄭州建立的城市溫室氣體和大氣污染物監測體系中，監測站點的選擇是一大重點內容，需要根據該城市的發展狀況和地理氣候等確定站點位置。中國計量院和環境總站傾力協作，將鄭州的經驗編入了監測站點指南，詳細介紹了如何選擇站點；還建立了多項國家標準和行業規范，以支撐碳排放數據的準確性。

　　此外，該體系提升了中國在碳排放數據方面的國際可信度。《巴黎協定》的履約中有一個重要的問題是，國際社會對中國數據一直存在質疑。未來幾年，若該體系應用到其它十幾個試點城市后，中國就可以擁有多個“可溯源、可報告、可核查、可測量”的城市碳監測的體系，可大大支持中國碳排放數據的準確性。“去年參加一個國際會議時，我作為報告人報告了鄭州的工作，獲得了在場專家的一致認可。”林鴻研究員說。同時，該體系也為鄭州贏得了國際聲譽，讓世界看到了鄭州的碳監測成果。

　　最重要的是，在鄭州的成果為國家下一步的碳監測和評估的試點工作提供了技術支持。該系統為其他城市的碳監測提供經驗支撐，可以推動全國整個碳監測試點工作，形成可靠的碳監測試點方案；同時為政府提供可靠的、與國際接軌的碳排放評估體系。

披荊斬棘 攻克難題

技術難題

　　林鴻回顧團隊在鄭州的三年工作時說：與單純的科學研究不同，系統落地是一個從科學研究到工程化的過程，在此過程中遇到了很多的技術問題。首先，實驗室中的測量一般可以達到千分之幾或者萬分之幾的不確定度；而在現場環境的測量，容易受到溫度、震動、噪聲等一系列的影響，造成測量的準確度下降。其次，實驗室中測量關注的是局部，而城市需要關注的是整體。該整體有局部的氣象條件和臨時的排放源的產生等很多不可控的因素，會對測量結果造成不利影響。團隊歷時三年攻堅，不斷解決技術難題。

　　團隊先將整套技術的基礎模塊，即地面上排放源的量值測定準確，該工作包括企業、交通、居民排放等大量的工作；此后建立了一系列測定溫室氣體的站點，測定甲烷、二氧化碳、NOx等；再結合大型流動氣象工作站得到整個流動狀況，應用反演方法得到每一個網格的排放通量，最終得到整個城市的排放量。

　　第二，實際體系是一個整體協調的過程。以前實驗室的工作是零散的，每個人負責某一模塊。而鄭州的實際體系中，所有的科研模塊構成了一個整體。因此，需要各個模塊之間的磨合和配合。

　　第三，碳監測需要國際間協同一致。這是因為二氧化碳是溫室氣體，涉及到全球所有人的利益。團隊在數據保密的前提下，在監測方法、反演技術上與國際許多科研機構之間保持良好的溝通交流、互相學習，拒絕“閉門造車”。

　　第四，項目時間緊迫。在有限的三年時間內，團隊投入大量的時間完成工作，并不斷地反思總結，以便將經驗分享給其他碳監測試點城市，讓他們少走彎路，加速整個碳監測試點工作的過程。

工作難點

　　林鴻研究員介紹，研究中最大的工作難點是中國廣泛存在的碳監測難點之一——數據質量問題。企業排放數據、交通排放數據及其他核心數據的準確性需要進一步確定，否則會對后續反演造成不利影響。因此，要采取抓大放小的策略，實時監測大企業的碳排放，確保其數據準確。

　　第二個難點是核算方法的問題。現在很多企業的數據采用燃煤核算的方法。根據統計80家鄭州企業獲得的檢測數據，燃煤核算方法算出來的排放量要比基于對排放直接測量的數據高50%-60%。也就是說，基于煙囪的實際碳排放測量是一個實時的、更準確的過程；采取直接測量的方法能提高數據準確性。

　　生態環境部435號文件建立城市碳監測體系的意義是：實現碳排放量每個小時的實時測量，具有較高的時間和空間分辨率。當系統建成后，城市的管理執行層將獲知1小時內哪個區域的碳排放量超過預期，就可以進行實時調控，從而穩定整個城市的碳排放量，而不會出現一年的前幾個月就將碳配額全花完的情況。通過實時調節碳排放量，在政策執行和城市管理方面，將取得突破性的進步。

規劃未來 創造優勢

　　林鴻研究員表示，經過三年的時間，鄭州已經完成了1000平方公里碳監測的初步過程；中期將建成覆蓋鄭州全域約7000平方公里的城市反演體系，實時監測鄭州市全域的碳排放量。未來更長期看，我們很愿意向其它城市共享上述經驗，從而推動中國在整個碳監測試點工作上能形成可靠的碳監測試點方案；并為政府提供可靠的與國際接軌的碳排放評估體系。在碳監測上實現精準測量，準確得到城市的碳通量和碳排放量，可幫助我們找出需要進一步加強的方向，并指導行業的升級轉型。

　　回顧三年的鄭州碳監測工作經驗，林鴻談到為后續工作帶來的幾大優勢。

　　首先，增強了研究的信心。在中國基礎數據比較差的條件下，目前通過計量手段可以良好地改善數據的質量，提高數據的利用率，在后續工作上基礎數據方面獲取了一定的優勢，這大大增強了對完成未來碳監測重任的信心。

　　其次，確認了國內的研究水平與歐美差距并不大。目前國內的研究水平與歐美同步，這得益于與發達國家科研機構的良性交流學習。

　　最后，為其他城市的碳監測提供技術支撐。鄭州經驗是包含“建站、監測、反演”的全流程的、成熟的經驗，它可以為其他城市的碳監測提供經驗支撐，推動全國整個碳監測試點工作，形成可靠的碳監測試點方案，從而積極落實習主席提出的“2060目標”：力爭于2030年前二氧化碳排放達到峰值，2060年前實現碳中和。

人物簡介

　　林鴻，博士/研究員，1979年出生。2006年于清華大學博士畢業后加入中國計量科學研究院，2007-2008年、2013-2015年先后兩次公派在美國國家技術標準研究院作為訪問學者交流學習。現任中國計量院熱工所副所長，鄭州計量先進技術研究院常務副院長、亞太計量區域組織(APMP)氣候變化工作組主席等職務。

　　長期從事聲學法原級測溫、溫室氣體和大氣污染物協同治理等研究。和團隊一起創建了世界獨有的定程雙圓柱腔聲學原級法測溫系統，成果被米制公約最高權力機構用于溫度單位的重新定義，是我國第一次對基本單位定義有貢獻的成果。破解了不同吸收線形由于信噪比低而無法區分的國際技術難題，發現了甲烷分子在近紅外區域振動-轉動的新能態。創建了以精密測量為基礎的城市溫室氣體和大氣污染物排放量監測體系，服務于溫室氣體和大氣污染物協治理工作。在《Phys Rev Lett》、《Metrologia》和《計量學報》等國內外刊物，公開發表學術論文 60 余篇，獲得國內授權的發明ZL7項。

　　2012年獲得亞太計量區域組織頒發的“青年計量學家獎”，2013年獲得原國家質檢總局“科技興檢三等獎”，2015年獲得“國家科學技術進步獎二等獎”，2018獲得“國家科學技術進步獎一等獎”，2019年獲得中國科協等頒發的“中國青年科技獎”，2020年入選國家人社部“國家百千萬人才工程”并同時獲得“有突出貢獻中青年專家”榮譽稱號。