林鸿：自主精密测量碳监测体系助力“双碳”战略

　　随着2020年9月习近平主席正式提出“双碳”概念以来，碳达峰、碳中和已经成为中国环境保护重点工作。碳达峰碳中和愿景如何实现？碳排放应该怎么精准监测？碳监测有什么好处？近日，分析测试百科网采访了中国计量科学研究院热工所副所长、郑州计量先进技术研究院常务副院长林鸿研究员，其团队长期致力于温室气体和大气污染物协同治理工作。本次采访，他将分享在城市温室气体和大气污染物监测体系的研究。该研究以郑州为试点，可实时监测郑州的碳排放，真正地实现了“可溯源、可报告、可核查、可测量”，同时为其他城市的碳监测提供技术支撑。

中国计量科学研究院热工所副所长、郑州计量先进技术研究院常务副院长 林鸿研究员

躬耕计量 不忘初心

　　1979年出生，成长于湖湘大地、毕业于清华大学的林鸿，现任中国计量院热工所室主任，郑州计量先进技术研究院常务副院长、亚太计量区域组织(APMP)气候变化工作组共同主席等职。

　　林鸿谈到加入中国计量院的原因时说：“我在清华从师于段远源教授，主要研究方向是工程热物理的传热和治冷方面的材料物性测量，对测量工作已萌生浓厚的兴趣。当时在项目合作中得知计量院正在开展关于温度单位重新定义的工作，更感兴趣；再结合认识张金涛研究员的契机，立刻决定加入中国计量院，希望能将所学的关于测量方面的经验和知识运用到工作的岗位上。”

　　加入计量院后，林鸿的研究工作分为两个阶段。第一个阶段是对温度单位重新定义。他和团队一同创建了世界独有的定程双圆柱腔声学原级法测温系统，成果被米制公约最高权力机构用于温度单位的重新定义，是我国第一次对基本单位定义有贡献的成果，获得了2018年国家科学技术进步奖一等奖。第二个阶段是目前开展的温室气体和大气污染物的协同治理工作，他的团队创建了国内首个基于精密测量的城市温室气体和大气污染物排放量监测体系，实现企业排放量的精确测量和实时报告大气污染物排放的时空分布，为大气污染物精密监测提供了科学的测量方法和技术手段，对全国推广具有示范作用。林鸿本人于2020年10月获得第十六届中国青年科技奖。

建立碳排放监测体系 为双碳目标提供支撑

　　林鸿团队研发的城市温室气体和大气污染物排放量监测体系，从精密测量开始，实现了找出问题、提出解决方案、评估效果的闭环系统，已成功应用在双碳问题的解决方案中。

碳监测技术落地 初步历程已完成

　　林鸿表示：该项目的设立与实施得益于中国计量院和美国标准研究院的长期合作。早在2008年林鸿访美期间，就学习了玻尔茨曼常数测量方面的研究工作。2010年后，欧美对碳测量和碳监测的研究热度初起，国内团队开始思考如何将碳监测应用到温室气体方面。2012年，团队与英国物理实验室、美国标准技术研究院等发达国家科研机构展开良好的沟通合作，整个团队陆续前往美国去学习城市碳排放的监测体系，增加了城市碳排放的技术知识储备。学成后的成果，曾进入2015年习主席的访美成果清单。随后，团队将整体技术在北京实验室落地和研究成功。

　　2018年，随着相关研究成果逐渐成熟，团队需要找到合适的应用场景即试点城市。由于郑州贯通南北的地理位置、产业结构、人口规模、交通等典型特征，成为了项目试点城市。期间，林鸿团队运用研究成果建立了一系列监测站点，开展了企业、交通、居民用燃气等方面的许多基础数据的研究，并结合大气流动传输模型建立了一套反演体系，可以实时获得整个城市的碳通量。郑州为试点的研究工作，将所学成果完全落地实现；并涵盖体现了生态环境部发布的435号文件（《碳监测评估试点工作方案》（环办监测函〔2021〕435号）文件）规定的碳监测评估试点的主体内容。

　　林鸿团队的工作，将实验室一些大型体系落地郑州实现本地化，建立了在国内排名领先的以精密测量为核心的城市碳排放监测体系。该工作成功实现了科研走向工程化的转化过程，贯彻落实了习主席提出的“把论文写在大地上”的倡议。其中，气体浓度值的测量、站点的建立、反演等基本工作均已完成，标志着该系统已成功走完碳监测的初步历程。

支撑碳监测试点 赢得国际认可

　　林鸿表示，城市温室气体和大气污染物排放量监测体系具备“可溯源、可报告、可核查、可测量”的特征，对国家碳排放的协同处理具有重大的意义。

　　首先，该体系可以为政府决策提供科学依据。该体系可以实时监控碳排放量，通过1小时内的碳排放来判断各区域、各行业、各类型的碳排放，实时调控，避免超出碳配额，从而加强城市碳排放的管理水平。

　　其次，该系统为碳监测提供了技术支撑，用经验改进技术。2021年，生态环境部发布435号文件，从区域、城市和重点行业三个层面，开展碳监测评估试点。团队在郑州建立的城市温室气体和大气污染物监测体系中，监测站点的选择是一大重点内容，需要根据该城市的发展状况和地理气候等确定站点位置。中国计量院和环境总站倾力协作，将郑州的经验编入了监测站点指南，详细介绍了如何选择站点；还建立了多项国家标准和行业规范，以支撑碳排放数据的准确性。

　　此外，该体系提升了中国在碳排放数据方面的国际可信度。《巴黎协定》的履约中有一个重要的问题是，国际社会对中国数据一直存在质疑。未来几年，若该体系应用到其它十几个试点城市后，中国就可以拥有多个“可溯源、可报告、可核查、可测量”的城市碳监测的体系，可大大支持中国碳排放数据的准确性。“去年参加一个国际会议时，我作为报告人报告了郑州的工作，获得了在场专家的一致认可。”林鸿研究员说。同时，该体系也为郑州赢得了国际声誉，让世界看到了郑州的碳监测成果。

　　最重要的是，在郑州的成果为国家下一步的碳监测和评估的试点工作提供了技术支持。该系统为其他城市的碳监测提供经验支撑，可以推动全国整个碳监测试点工作，形成可靠的碳监测试点方案；同时为政府提供可靠的、与国际接轨的碳排放评估体系。

披荆斩棘 攻克难题

技术难题

　　林鸿回顾团队在郑州的三年工作时说：与单纯的科学研究不同，系统落地是一个从科学研究到工程化的过程，在此过程中遇到了很多的技术问题。首先，实验室中的测量一般可以达到千分之几或者万分之几的不确定度；而在现场环境的测量，容易受到温度、震动、噪声等一系列的影响，造成测量的准确度下降。其次，实验室中测量关注的是局部，而城市需要关注的是整体。该整体有局部的气象条件和临时的排放源的产生等很多不可控的因素，会对测量结果造成不利影响。团队历时三年攻坚，不断解决技术难题。

　　团队先将整套技术的基础模块，即地面上排放源的量值测定准确，该工作包括企业、交通、居民排放等大量的工作；此后建立了一系列测定温室气体的站点，测定甲烷、二氧化碳、NOx等；再结合大型流动气象工作站得到整个流动状况，应用反演方法得到每一个网格的排放通量，最终得到整个城市的排放量。

　　第二，实际体系是一个整体协调的过程。以前实验室的工作是零散的，每个人负责某一模块。而郑州的实际体系中，所有的科研模块构成了一个整体。因此，需要各个模块之间的磨合和配合。

　　第三，碳监测需要国际间协同一致。这是因为二氧化碳是温室气体，涉及到全球所有人的利益。团队在数据保密的前提下，在监测方法、反演技术上与国际许多科研机构之间保持良好的沟通交流、互相学习，拒绝“闭门造车”。

　　第四，项目时间紧迫。在有限的三年时间内，团队投入大量的时间完成工作，并不断地反思总结，以便将经验分享给其他碳监测试点城市，让他们少走弯路，加速整个碳监测试点工作的过程。

工作难点

　　林鸿研究员介绍，研究中最大的工作难点是中国广泛存在的碳监测难点之一——数据质量问题。企业排放数据、交通排放数据及其他核心数据的准确性需要进一步确定，否则会对后续反演造成不利影响。因此，要采取抓大放小的策略，实时监测大企业的碳排放，确保其数据准确。

　　第二个难点是核算方法的问题。现在很多企业的数据采用燃煤核算的方法。根据统计80家郑州企业获得的检测数据，燃煤核算方法算出来的排放量要比基于对排放直接测量的数据高50%-60%。也就是说，基于烟囱的实际碳排放测量是一个实时的、更准确的过程；采取直接测量的方法能提高数据准确性。

　　生态环境部435号文件建立城市碳监测体系的意义是：实现碳排放量每个小时的实时测量，具有较高的时间和空间分辨率。当系统建成后，城市的管理执行层将获知1小时内哪个区域的碳排放量超过预期，就可以进行实时调控，从而稳定整个城市的碳排放量，而不会出现一年的前几个月就将碳配额全花完的情况。通过实时调节碳排放量，在政策执行和城市管理方面，将取得突破性的进步。

规划未来 创造优势

　　林鸿研究员表示，经过三年的时间，郑州已经完成了1000平方公里碳监测的初步过程；中期将建成覆盖郑州全域约7000平方公里的城市反演体系，实时监测郑州市全域的碳排放量。未来更长期看，我们很愿意向其它城市共享上述经验，从而推动中国在整个碳监测试点工作上能形成可靠的碳监测试点方案；并为政府提供可靠的与国际接轨的碳排放评估体系。在碳监测上实现精准测量，准确得到城市的碳通量和碳排放量，可帮助我们找出需要进一步加强的方向，并指导行业的升级转型。

　　回顾三年的郑州碳监测工作经验，林鸿谈到为后续工作带来的几大优势。

　　首先，增强了研究的信心。在中国基础数据比较差的条件下，目前通过计量手段可以良好地改善数据的质量，提高数据的利用率，在后续工作上基础数据方面获取了一定的优势，这大大增强了对完成未来碳监测重任的信心。

　　其次，确认了国内的研究水平与欧美差距并不大。目前国内的研究水平与欧美同步，这得益于与发达国家科研机构的良性交流学习。

　　最后，为其他城市的碳监测提供技术支撑。郑州经验是包含“建站、监测、反演”的全流程的、成熟的经验，它可以为其他城市的碳监测提供经验支撑，推动全国整个碳监测试点工作，形成可靠的碳监测试点方案，从而积极落实习主席提出的“2060目标”：力争于2030年前二氧化碳排放达到峰值，2060年前实现碳中和。

人物简介

　　林鸿，博士/研究员，1979年出生。2006年于清华大学博士毕业后加入中国计量科学研究院，2007-2008年、2013-2015年先后两次公派在美国国家技术标准研究院作为访问学者交流学习。现任中国计量院热工所副所长，郑州计量先进技术研究院常务副院长、亚太计量区域组织(APMP)气候变化工作组主席等职务。

　　长期从事声学法原级测温、温室气体和大气污染物协同治理等研究。和团队一起创建了世界独有的定程双圆柱腔声学原级法测温系统，成果被米制公约最高权力机构用于温度单位的重新定义，是我国第一次对基本单位定义有贡献的成果。破解了不同吸收线形由于信噪比低而无法区分的国际技术难题，发现了甲烷分子在近红外区域振动-转动的新能态。创建了以精密测量为基础的城市温室气体和大气污染物排放量监测体系，服务于温室气体和大气污染物协治理工作。在《Phys Rev Lett》、《Metrologia》和《计量学报》等国内外刊物，公开发表学术论文 60 余篇，获得国内授权的发明ZL7项。

　　2012年获得亚太计量区域组织颁发的“青年计量学家奖”，2013年获得原国家质检总局“科技兴检三等奖”，2015年获得“国家科学技术进步奖二等奖”，2018获得“国家科学技术进步奖一等奖”，2019年获得中国科协等颁发的“中国青年科技奖”，2020年入选国家人社部“国家百千万人才工程”并同时获得“有突出贡献中青年专家”荣誉称号。