基于基站中高點位資源優勢的城市級碳排放監測和天氣預警關鍵技術的分析與實踐

摘要：基于基站中高點位資源優勢，掛載氣象傳感和監控設備，設立氣象數據采集點和視頻監控點等感知節點，并融合氣象局大網數據，實時獲取風速、風向、雨量等精細化的氣象數據，向軌交運營等用戶企業輸出提供天氣預報、極端天氣預警等信息，健全預警發布與應急響應的聯動機制，提升汛期抗風抗臺風險能力，形成上海地鐵維保﹑江湖防汛等工作的“氣象數字結界”，為城市智能化管理做出了貢獻。通過全市現基站，開展城市碳排放監測，同時利用現有基站，完成城市級碳監測排放網搭建，基本實現城市級溫室氣體監測全覆蓋，校準溫室氣體排放清單數據。

關鍵詞：基站；高點位資源；碳排放監測；溫室氣體

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.08.058

中圖分類號：TN 929.5" " " " " " " " "文獻標志碼：B" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2024）08-0-04

Analysis and Practice of Key Technologies for Urban-level Carbon Emission Monitoring and Weather Warning Based on the Advantages of Medium and High-point Resources of Base Stations

YU Zhe

（Shanghai Branch of China Tower Corporation Limited， Shanghai 201702， China）

Abstract： Based on the advantages of medium and high-point resources of base stations， meteorological sensors and monitoring equipment are mounted， and sensing nodes such as meteorological data collection points and video monitoring points are set up. In addition， the data of the large network of the Meteorological Bureau is integrated to obtain refined meteorological data such as wind speed， wind direction， and rainfall in real time， and to output weather forecasts， extreme weather warnings and other information to user companies such as rail transit operations， improve the linkage mechanism between warning release and emergency response， enhance the ability to resist wind and typhoon risks during the flood season， and form a amp; meteorological digital barrier; for Shanghai Metro maintenance， river and lake flood prevention and other work， which has contributed to the intelligent management of the city. Through the existing base stations in the city， urban carbon emission monitoring is carried out， and at the same time， the existing base stations are used to complete the construction of the urban-level carbon monitoring emission network， basically achieving full coverage of urban-level greenhouse gas monitoring， and calibrating greenhouse gas emission inventory data.

Keywords： base station; high-point resources; carbon emission monitoring; greenhouse gas

1" "大氣環境溫室氣體監測

通信基站負責配套設施和高鐵地鐵公網覆蓋、大型室內分布系統的建設、維護和運營。在第六屆進博會通信保障工作中，統籌規劃并實施進博會通信保障整體方案。包括保障方案制定、組織機構建立、安全隱患整治、保障人員培訓、聯合應急演練、重保期間基站網絡運營等工作，這也是智慧城市管理重要組成部分[1]。同時根據生態環境部印發《碳監測評估試點工作方案》（環辦監測函〔2021〕435號）的相關要求，上海市為8個綜合試點城市之一。根據《上海市碳監測評估試點工作方案》，2022年，結合地面基站站點、走航車、無人機、地基及衛星遙感等多種監測手段，初步構建了天空地一體化溫室氣體監測網絡，并開展重點行業溫室氣體監測。基于各類監測數據，高精度碳同化反演城市與區域尺度的溫室氣體濃度和變化趨勢，校準溫室氣體排放清單數據，開展CO2濃度和通量的同化反演示范應用。

1.1 高精度大氣溫室氣體監測

1.1.1 基站站點設置

基于中國環境監測總站發布的《城市大氣溫室氣體監測點位布設技術指南（第一版）》，根據上海實際情況，形成了上海市溫室氣體監測站點選址技術路線。

在充分考慮擬選站點周邊的地理環境、排放特點、基礎設施等因素的基礎上，上海市初步確定了7+1個站點，即7個溫室氣體監測站（嘉定外岡、寶山楊行、靜安國媒、青浦金澤、松江車墩、浦東張江、奉賢海灣）和1個溫室氣體背景監測站（崇明東灘），共8個站點的選址工作。

使用WRF模型，基于NCEP的FNL氣象再分析資料，模擬出上海市區域內高時空分辨率的氣象場。在高時空分辨率氣象場的驅動下，使用基于拉格朗日后向軌跡理論的STILT（Stochastic Time-Inverted Lagrangian Transport Model）模型，對8個溫室氣體監測站點的監測代表性進行了模擬。冬季1月份和夏季7月份的監測代表模擬結果顯示8個站點具有較好的代表性。

1.1.2 在線監測

2022年開始，基于大量基站的上海市高精度溫室氣體監測網絡陸續建成并開展在線監測，監測因子涵蓋二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、六氟化硫（SF6）等溫室氣體及其示蹤物一氧化碳（CO），另外還開展了12CO2、13CO2等CO2同位素的試點監測。

監測方法主要為光腔衰蕩光譜法（CRDS）、離軸積分腔輸出光譜法（ICOS）、非色散紅外光譜法（NDIR）等較為成熟的方法（見表1）。

1.2 走航溫室氣體監測

2022年2月和7月，使用移動測試車搭載Picarro G2301型溫室氣體分析儀、氣象儀、GPS定位儀等設備在上海市主要道路上開展走航CO2監測和CH4監測，覆蓋上海市道路長度分別為1 750 km和1 600 km。獲得了冬季和夏季上海市主要道路上的CO2和CH4空間分布特征。

1.3 無人機垂直溫室氣體監測

2022年12月，在上海市重點排放區域以及部分高精度基站監測站點附近開展了溫室氣體無人機飛行監測，獲得了近地面至500 m的溫室氣體垂直廓線（見圖1）。

垂直廓線在背景點變化較小，在市區點和邊界點的低層呈緩慢上升趨勢，在上層的變化存在差異。例如在背景點崇明東灘處，CO2垂直廓線變化較小，其中下層（0～300 m）CO2濃度受近地面影響波動較大，上層波動較小。邊界站青浦金澤和金山滬浙界處的廓線從下至上均呈現先上升后下降的趨勢，即CO2濃度從近地面開始逐漸上升，在250～300 m處達到最大值，之后緩慢下降。在城區站浦東張江和松江車墩處的CO2濃度從0～300 m同樣呈緩慢上升趨勢，在300～500 m處呈不變或上升趨勢，表明上層空氣可能受周邊區域水平輸送的影響。受周邊排放影響，不同地點CO2濃度大小存在空間差異。市區站濃度高于金山滬浙界處的化工區；背景點崇明東灘站的濃度最低，低于青浦金澤站和松江車墩站。

1.4 基站地基柱濃度溫室氣體監測

2022年應用Bruker IFS 125HR超高分辨率紅外光譜儀開展浦東張江固定點位的連續觀測，共完成了115天有效觀測，獲得近紅外波段太陽光譜數據。

利用全球總碳柱觀測網絡（TCCON）的GGG2014反演算法，反演出大氣CO2和CH4柱濃度反演，同時也反演出CO和N2O柱濃度數據（見圖2）。

CO2柱濃度（XCO2）和CH4柱濃度（XCH4）的日內變化均呈上午緩慢下降，下午較快速上升趨勢（見圖3）。

1.5 衛星遙感溫室氣體監測

通過對OCO-2和哨兵5P衛星數據的分析處理，由于采用國際上有較多數據應用的衛星數據，數據有一定滯后性。初步獲得了2020年上海市CO2、CH4柱濃度的年均分布結果。

1.6 碳同位素監測

依托基站設施固定點位，初步開展了2個固定點位（靜安國媒、嘉定外岡）及1個補充點位（奉賢海灣）的大氣二氧化碳碳同位素（14C）監測，分析其日變化特征及周變化特征，并基于14C和CO2的質量守恒定律，對樣品中CO2的化石燃料燃燒排放貢獻進行了定量分析。

2" "基站中高點位資源優勢

基站中高點位資源優勢體現在：

一是上海市浦東新區等六個行政區域內利用通信基站開展相控陣氣象雷達站改造與建設，其中改造存量基站站址3座、新建氣象塔5座，開展氣象技術和基站資源的雙向賦能，進一步加強對上海超大城市災害性天氣的監測分析和短臨預警能力，在汛期及極端天氣下提供相應城市安全保障。項目建設完工后在全市范圍內形成天氣雷達觀測網，推動上海形成更高的氣象現代化水平。

二是利用48座基站站址，在長江沿岸掛載雷達和監控設備，實現上海長江口水域3 200 km2、365天24小時全天候全水域覆蓋監控，實現了智能發現、智能告警、綜合研判、指揮調度、屬地監管、及時查處和信息共享的智能閉環。可實現對上海市長江禁漁管理區域3 200 km2、450 km沿江岸線、365天24小時、全水域、全天候、“水、陸、空、天”一體化管控，助力長江生態大保護。

三是在太湖周邊的104處基站站址，掛載視頻監控設備，實時獲取太湖水域水位和水面漂浮物以及船只航行情況，更對太湖流域水利基礎設施進行實時監管，形成太湖流域整體監管體系。通過通信基礎設施共享，開創水利服務新模式，為太湖流域管理局提供了更準確的太湖流域水面漂浮物監測和防汛防臺時期的預判等能力的支撐。

四是基于基站中高點位資源優勢，開展城市碳排放監測，通過全市8個點位完成城市級碳監測排放網搭建，基本實現全市溫室氣體監測全覆蓋。自2022年開始，連續三年為上海市環境監測中心全市溫室氣體監測提供站址服務，并在上觀新聞、解放日報、澎湃新聞等多家媒體對外發布報道，構建上海城市溫室氣體監測網絡，為城市精準減碳指明了方向。

五是通過淀山湖周邊6個基站點位的高點視頻，借助基站視聯平臺水質監測的智能算法，精準識別水域中藍藻滋生、水面漂浮物的種類數量、水域非法采砂行為等異常情況，實現上海淀山湖全域的全天候、高精度監控?？沙掷m進行淀山湖生態水質監測，深化美麗長三角生態環境共保聯治，為后續的行業規模發展積累寶貴經驗，謀篇布局環保監測的宏偉藍圖。

六是利用現有基站站址和高點位優勢，在地鐵5、16、17號沿線掛載氣象傳感和監控設備，設立氣象數據采集點和視頻監控點等感知節點，并融合氣象局大網數據，實時獲取風速、風向、雨量等精細化的氣象數據，向軌交運營企業輸出提供天氣預報、極端天氣預警等信息，健全預警發布與應急響應的聯動機制，提升汛期抗風險能力，形成上海地鐵維保工作的“氣象數字結界”，通過通信基礎設施共享，開創氣象服務新模式，為上海地鐵運維提供了更準確的氣象環境預測和預判能力支撐。國務院國資委就技術項目已作專題新聞報道。

2.1 基站中高點位檢測有利于碳源匯監測及排放清單核算

開展火電、鋼鐵、焚燒、交通等重點行業通過基站中高點位溫室氣體監測，基于直接測量法和指南方法碳排放量核算的比較，結合企業實際排放狀況，初步構建了監測校驗體系和重點行業溫室氣體排放系數庫，完成了2020和2021年碳污同源排放清單并實現網格化。積極推進大數據應用，依托重點源在線監測數據、電力行業發電數據、機動車路網數據、船舶自動識別系統（AIS）數據、飛機流量數據等，初步構建了上海市工業源、機動車、船舶等重點源高時間分辨率溫室氣體排放清單核算技術體系。

基于基站中高點位和衛星監測數據，結合已有碳匯通量塔監測數據，建立了上海市30 m分辨率的植被初級凈生產力反演模型，并完成了2010年、2015年和2020年3個年度的植被初級凈生產力數據產品的生產，為長期跟蹤評估上海市碳匯精細變化和CO2同化反演系統提供了數據支撐。

2.2 基站中高點位檢測有利于高時空分辨率CO2同化反演

基于環境監測總站發布的《城市大氣二氧化碳（CO2）同化反演試點方案編制技術指南（第一版）》，結合前期相關的工作基礎，通過雙向耦合中間件，將基于全球大氣化學傳輸模式GEOS-Chem和集合調整卡爾曼濾波同化方法的全球CO2同化反演系統，與基于區域大氣化學傳輸模式WRF-Chem和集合調整卡爾曼濾波同化方法的區域CO2同化反演系統，雙向嵌套耦合在一起，實現全球CO2同化反演系統為區域CO2同化反演系統提供邊界約束條件，區域CO2同化系統將同化結果反饋給全球CO2同化系統的過程。全球CO2同化系統的空間分辨率為0.5°×0.625°，區域CO2同化系統內部分別進行27 km×27 km、9 km×9 km、3 km×3 km的三層雙向嵌套。通過4層嵌套，實現從全球0.5°×0.625°分辨率到區域最高3 km分辨率的對CO2濃度和通量的同化反演。

基于全球和區域同化系統雙向嵌套的技術路線，已經初步完成上海市高時空分辨率CO2同化反演系統的構建，并利用基站中高點位檢測和OCO-2衛星監測數據，在MERRA-2氣象再分析資料數據產品的驅動下，反演出3 km分辨率的上海市2022年10月、11月兩個月的地表CO2通量。利用同期14C監測數據和地面CO2濃度監測數據，識別出其中化石源CO2排放量。通過2022年的試點工作，初步落實了上海市高時空分辨率CO2同化反演系統的應用示范，為后續進一步結合CO/NO2監測數據的同化反演，實現輔助校驗排放清單準確性的目標，打下了扎實的工作基礎。

3" "城市級碳排放監測關鍵技術應用

基于基站中高點位資源優勢，開展城市碳排放監測。

（1）通過開發高性能城市能耗及碳排的軟測量方法：針對城市空間建造與傳統城市排放不同沒有成型的能耗估算和碳排放核算方法，通過對BIM建造數據和能耗數據，碳源碳匯等數據挖掘和信患融合，獲得一種間接計算能耗和碳排放的軟測量方法，形成高性能模塊空間建造能耗及碳排的軟測量技術，為城市空間建造“能＋碳”管控提供依據。

（2）城市空間建造碳管控技術體系與評價方法：通過碳管控技術，辨別和量化對環境的攫取與排放，研究城市空間建造碳管控評價指標和評價方法，從而評價目標的環境負擔、能源消耗、管理措施的合理性，實現城市空間建造碳中和，推進零碳城市空間建造發展[2]。

（3）基于數字化和智能化的城市空間綠色低碳管控平臺：以城市空間建造為核心，銜接設計與運維，基于數字化智能物聯網技術開發城市空間設計[3]、建造與運維一體化的“能＋碳”數字化智檢綜合管理平臺和監測管控平臺[4]，同時應用城市級碳排放監測技術和BIM技術參與大型城市工程全壽命周期管理[5]。

4" "結束語

基站對城市碳排放監測，是城市生活和綠色低碳建造的關鍵管控方法之一，為降低城市碳排放強度和平均設計能耗水平，建立基于基站數字化和智能化的高性能城市空間綠色低碳管控平臺，實現城市工業化生產、低碳排放，循環拆改的綠色低碳數字化轉型碳排放目標管控，切實提高我國綠色生產、工業化建造及數字化智能建造的碳排管控水平。同時利用基站高電位可掛載氣象傳感和監控設備優勢，提供天氣預報、極端天氣預警等信息。因此，基站高位監測支撐城市低碳管控和防災水平升級是未來智慧發展的必然方向。

參考文獻

[1] 劉士林．中國新常態與智慧城市戰略問題[J]．上海大學學報（社會科學版），2015，32（04）：19-26．

[2] 張鵬飛．低碳 綠色 智慧——城市區域綜合開發之路．上海：上?？茖W技術出版社，2020．

[3] 焦俊一．基于智能物聯網技術的智慧社區綜合管理系統的研究與應用[J]．物聯網技術，2019，9（06）：80-84．

[4] 徐楠．數字化智慧質檢綜合管理平臺研究與實現[D]．長沙：湖南大學，2018．

[5] 張鵬飛．基于BIM的大型工程全壽命周期管理．上海：同濟大學出版社，2016．

作者簡介：俞" 喆（1971—），男，漢族，浙江鄞縣人，高級工程師，碩士，研究方向為信息通信工程管理與研究。