长江经济带碳排放时空变化及驱动因子分析

参赛院校：武汉大学

指导老师：管小彬

队员姓名：姜艾艾何一朵祝龙锐

一、作品简介

为应对气候变化，2020年9月习近平总书记宣布，中华人民共和国将力争2030年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现“碳中和”，“双碳”目标成为国家的重大战略。本文以中国长江经济带重大战略区作为研究对象，选用GCXCO2以及CAMS的浓度遥感监测产品，以及CarbonTracker的两个碳通量数据（火灾与化石燃料的碳通量），分析二氧化碳浓度及通量的时空变化特征及驱动因素，认知不同碳通量对浓度变化的贡献程度，期望能定量刻画近20年来长江经济带CO2的时空变化特征与机制，为“碳达峰、碳中和”政策制定提供一定参考。

二、数据基础

本研究中一共获取了矢量数据、遥感数据和统计数据三种类型数据，具体信息见表1。

表 1 数据说明表格

	数据类型	产品	时间分辨率	空间分辨率	研究年份	下载链接
矢量数据	全国地市级矢量数据	————	————	————	————	https://www.ngcc.cn/
二氧化碳及其通量数据	森林火灾碳通量（m3/m2·s）	CT2022	3hour	1°x 1°	2000-2020年	http://carbontracker.noaa.gov
	化石燃料碳通量（m3/m2·s）	CT2022	3hour	1°x 1°	2000-2020年	http://carbontracker.noaa.gov
	CO2 柱平均摩尔分数（ppm）	EGG4	3hour	0.75°x 0.75°	2003-2020年	https://ads.atmosphere.copernicus.eu/cdsapp#! /dataset/cams-global-ghg-reanalysis-egg4?tab=overview
	XCO2 柱平均摩尔分数（ppm）	GCXCO2	8day	0.05°x 0.05°	2000-2020年	https://doi.org/10.5281/zenodo.10083102
统计数据	建成区绿化覆盖率（%）	————	1year	————	1999-2021年	《中国统计年鉴》
	第二产业占比（%）	————	1year	————	1999-2022年
	生活垃圾无害化处理率（%）	————	1year	————	2002-2022年
	城镇化率	————	1year	————	2003-2022年

三、分析过程

本作品围绕长江经济带碳排放时空变化及驱动因子分析主题展开，总体技术路线如下：

1、空间变化趋势分析

（1）空间分布情况

计算20年的均值数据得到空间分布图。

2000-2020年长江经济带平均二氧化碳柱浓度空间分布


(a)	(b)

森林火灾和化石燃料平均碳通量空间分布图(a)为森林火灾图(b)为化石燃料

（2）标准差椭圆分析

基于SuperMap iDesktopX 11.1.1 GIS软件，本作品使用“空间统计分析”选项卡中的“度量地理分析”功能下的“方向分布”工具，对前一步处理得到的面要素矢量数据进行了方向分布分析。计算完成后，可对三组碳源数据分析结果进行可视化，结果如下。

2000-2020二氧化碳柱浓度标准差椭圆结果图

森林火灾碳通量标准差椭圆结果图

化石燃料碳通量标准差椭圆结果图

2、时间变化趋势分析

（1）偏度系数

基于SuperMap iDesktop 11.1.1，在内置的Python 3.7.6环境中计算偏斜系数，结果如下：

二氧化碳柱浓度的偏斜系数数值图

森林火灾碳通量的偏斜系数分级图

化石燃料碳通量的偏斜系数分级图、

（2）变异系数

基于SuperMap iDesktop 11.1.1，在内置的Python 3.7.6环境中计算变异系数，结果如下：

二氧化碳柱浓度变异系数数值图

（3）季节性分析

利用Visual Studio Code，本作品借助statsmodels库中seasonal_decompose函数对时间序列进行加性季节分解，得到季节性分解结果的可视化图表如下。

碳柱浓度季节性分解图

森林火灾碳通量季节性分解图

碳柱浓度季节性分解图

3、二氧化碳排放变化的驱动因子分析

本作品定义平均柱浓度为因变量，森林火灾与化石燃料碳通量数据为自变量，并使用随机森林进行回归分析，发现化石燃料碳通量的重要性显著高于森林火灾碳通量。为此，本作品选用化石燃料碳通量作为驱动因子分析的响应变量，以探讨未来减排方向。

利用多尺度地理加权回归分析，我们进行了二氧化碳排放变化与驱动因子——建成区绿化覆盖率(CG)，第二产业占比(SI)，生活垃圾无害化处理率(HWR)，城镇化率(UR)的相关性年变化如下图所示。

四、作品亮点及提升方向

1、作品亮点：

整合多源遥感、模式碳排放及浓度数据（GCXCO2、CAMS、CarbonTracker），结合社会经济统计数据，开展长达20年的时空连续变化响应分析。

融合标准差椭圆、偏度/变异系数、季节性分解、随机森林与多尺度地理加权回归（MGWR）方法，构建多维分析框架，揭示碳排放时空异质性。

发现东部工业区碳排放集中、季节性波动显著的特征，提出顾及区域差异化的减排建议，如东部产业升级、西部防火管理等。

2、提升方向：

增加更多自然变量（气温、降水）、社会经济数据及政策指标（环保投入）等因子，提升驱动分析全面性；补充近5年数据（如2021-2025），验证“双碳”目标实施效果。

五、指导老师点评

该团队基于遥感二氧化碳浓度及模式碳通量数据，以中国重大战略区域——长江经济带为研究区域，系统分析了区域近20年二氧化碳浓度及通量的时空变异情况，以及两者之间的相互关系，探讨了不同社会经济因素对于碳排放通量的影响情况，选题具有重要的研究意义，二氧化碳监测及认知其排放源是实现“碳中和”重大战略目标的基础，但目前由于卫星遥感二氧化碳浓度数据的限制，仍难以开展大区域时空连续的分析，该作品利用团队时空无缝重建后的高分辨率二氧化碳浓度数据，并结合模式模拟的碳通量产品，发现了二氧化碳浓度及化石燃料导致的排放通量分布与城市发展密切相关，而森林火灾未呈现显著的空间分异规律，因此化石燃料燃烧室引起二氧化碳浓度上升的主要因素，通过分析不同社会经济发展因素与化石燃料碳排放的关系，发现从长江上游到下游两者关系显著增强。总之，该作品选题对于国家“双碳”、“长江经济带”等重大战略具有重要意义，相关分析内容详实、方法正确，文档组织合理，已达到预期成果。

六、团队合影

左起：指导老师管小彬、祝龙锐、何一朵、姜艾艾