基于微观尺度的典型大都市功能区碳排放过程模拟及优化调控研究

This paper, concerning Beijng's construction of world low-carbon metropolis, which is in a microscopic scale as well as a new perspective of humanities - nature coupling process, takes Olympic Centre district of Beijing as the research case to build up a spatial model of key elements vertical flux with respect to carbon emission and high-precision carbon emission account by applying principles of Geography, Ecology, Environmental Science and Systematic Science, employing approaches of eddy covariance flux observation, remote sensing, GIS, material metabolism and building energy model, adopting the data of Quick-Bird image with resolution of 0.61m. Through building up a carbon emission model, which is based on 50 meters grid of buildings, traffic, population, vegetation and construction land, and stimulating carbon emission process, we hope to reveal the spatial-temporal dynamic variation principles of carbon emission respectively every month, quarter and year in case area from 2013 to 2015,and to explores impact mechanisms of typical humane factors on carbon emission , and explore the development models and fostering policy for low-carbon function area. This paper aims to, practically, solve the development problems of low-carbon function area, theoretically, reveal carbon emission variation principles of typical function areas in metropolis and its influence on that, meanwhile, enrich perspectives and approaches of research on the relation between urbanization and environment, and promote cross-synthesis of subjects and methods innovation. The study results could be scientific basis for Beijing to construct world low-carbon metropolis, and be theoretical reference for similar metropolises in China to carry on low-carbon development.

以微观尺度和人文-自然耦合过程研究新视角，针对北京建设低碳世界城市问题，以典型大都市功能区- - 北京市奥林匹克中心区为案例，综合运用地理学、生态学、环境科学和系统科学原理，基于涡度协方差通量观测、遥感和GIS、物质代谢和系统动力学等技术方法，基于0.61米分辨率快鸟遥感影像等数据，构建案例区碳排放关键要素碳排放空间模型及其高精度碳排放账户，通过碳排放过程模拟和观测验证，揭示案例区2013-2015年月、季度和年度碳排放的时空动态变化规律，探究典型人文因素对碳排放的影响机制，探索其低碳功能区发展模式和培育政策。研究目的是从实践上回答低碳型功能区发展的问题，从理论上揭示大都市典型功能区发展过程中的碳排放变化规律及其影响因素，丰富城市化与环境关系研究视角和方法，促进学科交叉融合和方法创新。成果可为北京市建设低碳世界城市提供科学依据，还可为我国类似大都市低碳发展提供理论借鉴。

针对城市碳排放热点领域微观尺度碳排放研究方法不完善、关键要素数据难以获得等问题，本研究以微观尺度和人文—自然耦合过程研究新视角，以北京市奥林匹克中心区为案例，综合运用涡度协方差通量观测、遥感和GIS、实地观测和模型模拟等方法，通过界定微观尺度城市碳排放核算关键要素、边界，构建了案例区城市碳排放建筑物、交通、植被、人口碳排放数据库，探索了微观尺度城市关键要素碳排放核算方法，建立了微观尺度城市碳排放的空间分析模型方法体系，分析了建筑物、交通等要素碳排放的调控机理。本项目取得如下主要成果：①提出了微观尺度大城市生态系统二氧化碳循环概念模型。该模型界定了二氧化碳通量、人类活动产生的二氧化碳排放、植物和土壤呼吸、以及主要气象变量要素及相互作用关系，为“自下而上”和“自上而下”城市二氧化碳排放清单方法的比对分析研究提供了新的思路。②针对国际上估算车辆二氧化碳排放因子对道路等级、交通拥堵、驾驶习惯等因素考虑不足的难点问题，建立了基于驾驶行为等多因素的小汽车二氧化碳排放因子三层递进回归模型。③综合集成发展的交通车辆分类体系、研发的城市道路交通信息视频检测和采集系统、微观尺度城市碳排放空间范围识别方法和本地化处理的MOVES模型，构建了北京市奥林匹克中心区不同下垫面交通碳排放与二氧化碳通量空间分析模型，揭示了微观尺度大城市交通碳排放对二氧化碳通量影响机理，丰富了城市地理学开展长期、定点观测和精准估算碳排放的研究方法。④利用改进的建筑物能耗模型E-quest、交通车辆油耗模型系统分析了不同类型建筑物、交通车辆碳排放时空变化特征及其主要人文影响因素，揭示了北京奥林匹克中心区碳排放过程和机理，在国家、城市不同层面提出了北京市建设低碳世界城市切实可行的优化调控对策。⑤撰写完成了《微观尺度城市碳排放理论、方法与实证研究》专著，有效丰富了城市碳排放研究范式。⑥应用格兰杰检验、投入产出模型方法，揭示了北京市城市化对碳排放的影响机理。⑦项目成果应用取得重大进展，核心成果咨询建议报告得到国家领导人批示。