美国城市温室气体排放漏报情况

近四分之三的化石燃料二氧化碳(FFCO₂)的排放，最重要的人为温室气体(GHG)，源自城市¹．预测显示，本世纪城市人口将增加20多亿，到2030年全球城市面积将增加两倍^2，3.．城市发展可能会因技术、制度和行为惯性而锁定对低碳道路的阻力，这使这种巨大的作用更加复杂⁴．与此同时，城市正在气候减排活动中发挥领导作用，全球各地的城市都承诺实现雄心勃勃的减排目标，并在国际气候变化谈判进程中发挥越来越重要的作用⁵．城市减排的一个必要因素是按照标准化方法编制温室气体排放的数字核算⁶．这使得开展减排规划活动和制定减排目标所需的排放基线成为可能。全球各地的城市都制定了温室气体排放估算，我们称之为“自我报告清单”(SRIs)，它们大多遵循少数几个公开的协议之一^7，8，9．然而，尽管SRI对建立基准排放、城市减排目标设定和减排结果评估很重要，但目前还没有系统的、同行评议的SRI质量或准确性评估。

鉴于这一评估差距，我们调查了美国城市在线发布的48个SRIs，并将其与我们最近完成的、研究驱动的Vulcan 3.0版美国化石燃料二氧化碳估算(FFCO .)的城市提取结果进行了比较₂)排放。Vulcan量化完整的FFCO₂使用大量公开的输入数据集，对2010-2015年期间美国各点(如工厂、发电厂)、线路(即道路)和多边形(即美国人口普查块组)的排放进行了分析¹⁰．数据输入主要来自本地燃料、活动和通量监测数据。Vulcan v3.0的结果与基于观测的排放估计进行了比较¹⁴有限公司₂在美国，FFCO是理想的大气示踪剂₂，与基于大气的结果相差不到1.5%¹¹．此外，在印第安纳波利斯市的城市密集涌入工作表明，在3年平均时间跨度内，Vulcan的结果与基于大气的结果的误差在3%以内，每年误差在6%以内¹²．

本次比较中包含的48个城市的样本是通过结合先前发表的研究选择的¹³美国前100个排放城市的存在，以及充分记录在案的SRI结果的可用性。48个样本城市占2015年美国城市排放量的13.7%，占2015年美国城市人口的17.7%。明确的市政府边界被用于提取特定行业/燃料的FFCO₂发射自“原生”(点，线，多边形)火神FFCO₂排放。对Vulcan和SRI的结果进行了检查，以确保城市边界和排放部门、气体和范围的地理对齐。例如，如果个别排放部门(如机场、工业)在SRI中不存在，它们在Vulcan中也被同样地消除了，在某种程度上，SRI文件提供了明确的部门代表。在SRI中遗漏的分部门要素(例如，一个部门内的个别燃料，城市领域内的个别工厂)很少被记录，在本分析中被认为是比较的一部分，因此没有进行调整(见“方法”)。

两个发射数据集之间的平均相对差(RD)为+18.3% (Vulcan > SRI;计算公式为[(Vulcan - SRI)/average(Vulcan, SRI)])，平均绝对(无符号)相对差(MAD)为29.1%(图2)。1)．这是在Vulcan城市排放的平均RD 95%置信区间为+5.2%/+31.7%的背景下得出的。在报告排放量低于Vulcan的城市中(N= 37)，平均RD值为+30.7%。此外，所有48个城市每年排放质量单位的总和差异为19,076,760 tC/年，几乎相当于2015年马萨诸塞州的排放量(表2)1)．如果将18.3%的差异外推到所有美国城市，则总排放量将达到129,219,255 tC/年(来源数据)，比2015年加利福尼亚州的总排放量高出23.5%。我们发现，与东部(+25.0%)相比，美国西部的RD值较小(+11.0%)，但MAD值几乎相同(分别为30.3%和28.0%)，这是因为西部城市的负差异数量更多，导致一些正差异被抵消了。最后，我们发现相关性很小(Pearson’sR个体的绝对相对差值(AD)与城市排放量之间的关系为0.01)。

数字2提供个别城市总排放量的RD值和每个城市的平均跨行业排放AD值。所有城市的MASAD值平均值为50.3%。这表明，即使在总排放量接近的城市，个别部门也存在很大差异。例如，底特律市的总RD为+1.3%，但MASAD值为44.2%，其中道路源的RD为−28.5%，静止源的补偿RD为+38.7%(图2)。3.)．各城市道路上特定行业AD值的平均值(N= 46)，静止(N= 43)，以及其他交通工具(N= 27)部门的比例分别为28.1%、37.9%和82.6%(图;3.)．然而，对于那些报告排放量比Vulcan少的城市，差异为25.7% (N= 28)， 44.9% (N= 23)， 102.2% (N= 11)。

仔细检查Vulcan v3.0和SRIs之间的差异表明，最常见的差异与SRI遗漏了工业/商业部门的石油燃料使用和点源排放，对海运和空中排放的不同会计角度，以及道路排放估计的不同方法有关。许多城市收集基于行业的固定来源的公用事业天然气消费数据。这些数据通常会遗漏与工业点源过程相关的建筑物中的石油消耗，或者不是由集中式公用事业公司提供的小型燃料供应合同。SRIs往往将海运的组成部分与港区的当地活动隔离开来，或试图估计常住人口对空中活动的利用。城市还使用加油站燃料销售或旅行需求建模来估计道路排放，以隔离城市内活动刺激的道路排放。相比之下，Vulcan包括行政城市边界内的所有排放源，包括距离地面3000英尺的出租车/起飞/降落的空中排放，城市边界内水域的所有海上运输排放，以及城市内所有道路的排放，而不管旅行的起点/目的地。个别城市/行业差异的进一步解释很难从所提供的社会责任投资信息中分离出来。对这项研究的一个重要警告是，更好地记录SRI系统边界细节可能会改变这里发现的数值差异统计。

考虑到城市在排放方面发挥的巨大作用及其对城市排放格局的许多方面的治理权限，制定可持续排放系统是对城市应对温室气体减缓需求的合理回应，是一项必要的、具有全球相关性的努力。然而，使用城市SRIs构建基线排放和长期目标跟踪提出了几个挑战，这些可能是本研究中发现的差异的原因。SRI的发展是一项昂贵的工作，给城市工作人员和资源带来负担。数据收集、处理和建模可能会给城市带来技术挑战，进一步增加可用资源的负担，并经常导致不完整的估计或有偏见的结果，如本文所示。使问题更加复杂的是，对SRI估计的独立客观评估产生了额外的技术障碍，因此很少有人尝试。这些挑战在减排目标的背景下显得尤为重要。例如，印第安纳波利斯市已经表示，他们的目标是到2025年，相对于2016年，减少20%的建筑温室气体排放¹⁴．然而，由于这里发现了26.9%的低估，很难知道何时以及是否真正实现了这一目标，也很难跟踪这一目标的进展。

应对这一挑战的一个潜在解决方案是建立一个更加系统化的温室气体通量信息系统，该系统将本文使用的Vulcan数据产品所示的自下而上的量化类型与分层(地面、机载、星载)大气观测和模型系统结合起来¹⁵．建立和管理温室气体流量信息系统不是独立于个别城市的努力，而是需要与城市工作人员合作，利用当地知识并根据当地需求进行调整。通过在全国范围内开发类似的原型，这样一个系统的城市规模的原型已经在印第安纳波利斯市进行了试点^11，12．这种方法可以在整个大陆景观范围内提供全面、一致的方法，提供精细的空间(例如，细化到社区/街道规模)和功能(例如，部门、分部门、燃烧过程)细节，以便更好地制定缓解政策¹⁶．它还提供了使用最准确的影响仲裁者——大气温室气体量——跟踪缓解进展的能力。最后，这些方法的一个优点是它们能够通过空间尺度来保存质量，允许从国家到建筑的一致性、可比性和背景。

准确性和精确性对于估算温室气体排放至关重要，无论是由城市、州还是国家报告。缺乏准确的排放评估(即基线评估和持续评估)使得难以确定缓解政策选项的优先次序，可能导致稀缺的缓解资源分配不当，并对独立评估和航向修正提出挑战。本文提出的结果引起了人们对目前美国城市温室气体排放量化的自我报告方法的严重关注。类似的动态可能在全球各地的城市中发挥作用，这些城市也有类似的SRIs报告¹⁷．幸运的是，在建立系统排放量化系统方面取得了进展，该系统有望与地方当局合作，为所有城市生成空间/时间分辨率、大气校准的排放信息。有了这样一个合作系统，城市温室气体减排从业人员就可以把时间和资源投入到他们拥有最大知识和政治影响力的活动中:为他们的城市制定最佳的减排战略。

城市分析

本研究中比较的城市是根据现有文献、排放量大小和文件的充分性来收集的。Nangini等人最近的一篇论文提供了一个完成了SRIs的城市列表，并将其报告给碳披露项目(CDP)。¹⁸．这份包括64个美国城市的名单，与2011年Vulcan估算的前50个城市排放量相结合。进行了系统的在线搜索，以定位报告这些城市的SRI结果的文档。许多城市没有公布清单，或者公布了清单，但信息内容不足以孤立那些与火神卫星结果相当的排放。此外，如果他们报告的年份超出了火神星的时间跨度(2010-2015年)，则不考虑SRI的估计。报告排放年份非常接近火神时间跨度的城市有四个例外:俄亥俄州哥伦布:2017年;新奥尔良，洛杉矶:2007年;科罗拉多州朗蒙特:2016年;盐湖城，德克萨斯:2009年。在这些情况下，使用最接近火神时间跨度的年份(2010年或2014年)。 The sensitivity of the results to the removal of these four cities was negligible with little impact on the mean statistics (Table2)．

最终48个城市的排放排名与美国所有城市的排名分布相关，以及它们在累积城市排放中的份额，如图所示。4．

城市的边界

为了使Vulcan 3.0版本的年度结果中的城市边界与SRIs中的城市边界保持一致，我们使用了反映2010年边界条件的美国人口普查局指定地点(DPs)¹⁹．在线SRI文档很少定义所考虑领域的精确边界，但是假定SRI排放反映了治理边界内所陈述的城市的排放，除非另有说明。本研究中考虑的48个城市的美国人口普查DP地图与命名城市的谷歌地图边界搜索完全一致。唯一的例外是沿海城市，这些城市的DP边界将延伸到近海，而城市可能只包括其行政边界内陆地区域的排放。这将在海运部门产生差异。

火神发射被认为是300米× 300米，所以它们可以更精确地归因于DP实体。300m电网参数如表所示3.．DP shapefile包含28,705个多边形特征，每个多边形特征代表一个DP实体，使用ArcGIS将其栅格化到相同的300 m × 300 m Vulcan网格中。在栅格化DP多边形时，每个网格单元被分配一个DP标识，该标识来自与单元中心重叠的多边形(https://pro.arcgis.com/en/pro-app/tool-reference/conversion/polygon-to-raster.htm)．然后通过DP实体聚合300 m × 300 m网格化的Vulcan输出，生成28,705个DP实体的排放值。这种方法的警告是，某些小的局部源(例如，点源)可能位于与特定DP实体相关的网格单元内，即使实际的点源位于城市边界多边形之外。同样，如果DP实体没有分配给仅部分重叠多边形的网格单元，则位于城市边界多边形内的局部源可能会被省略。由于许多城市边界位于城市地区人口密度较低的部分，这一点被最小化了。

按照与美国人口普查局2010年人口数据相同的方法，还为每个DP实体分配了人口值¹⁹．

数据集对齐

对48项资源评估结果的审查表明，直接比较火神系统的产出与资源评估的产出会出现一系列分类上的不匹配。因此，我们对结果进行了一些调整，以便进行比较。第一个是确保范围的一致性。文献中已经确定了三个范围:范围1、2和3^20.，21．当应用于FFCO时₂排放，范围1反映了所考虑的地理范围(即城市行政边界)内燃料燃烧产生的物理排放。范围2是指FFCO₂在城市边界内发生的电力消耗所产生的排放，无论排放实际发生在何处。例如，一个给定的城市可能在城市范围内只有一个电力生产设施。城市居民的用电水平可以达到这样的水平，即使用该市内设施的所有电力，以及使用城外额外的电力生产设施的电力。在本例中，电力生产部门的范围1排放将由该单一设施组成。相比之下，范围2的排放量将包括这两个设施的排放量与城市范围内消耗的电力的比例。最后，范围3排放将商品和服务生产产生的排放分配到消费点，而不管它们发生在哪里。例如，如果我们示例城市中的一家工厂生产的产品出口到城市范围以外的消费者，那么这些排放将不在示例城市内计算，而是分配到最终消费发生的地点。相反，生产和运输商品到示例城市消费者所需的排放量将被计算为城市内排放量。

Vulcan量化所有CO₂在城市区域或范围1的地理边界内燃烧化石燃料和生产水泥所产生的排放。瓦肯不包括生物起源的排放，无组织排放或非co₂温室气体。由于本研究检查的所有SRIs都不包括水泥生产过程中的排放(化学计量排放，而不是用于水泥生产过程的化石燃料燃烧)，因此这些排放从Vulcan的结果中删除了。

原因是火神FFCO₂在利用大气混合比测量来推断地表通量(通常称为大气“反演”方法)的系统中使用Vulcan时，排放数据产品最初仅限于范围1的排放^22，23，24．Vulcan和其他空间/时间显式排放数据产品经常被用作这些系统的边界条件或“先验”通量。反演系统使用大气运动模型来反演给定空间域中的大气混合比，因此地表通量边界条件或先验通量必须反映所考虑的地理范围1排放特有的通量。

范围2和3对于城市温室气体从业人员来说是可以理解的。然而，为了利用大气反演系统能够提供的独立通量估计，范围1排放(通常包括范围视角中最大的排放)必须在总体排放核算中分离出来。利用大气逆温进行的独立评估是评估存量估计和纠正航向的缓解活动的一个重要因素。

与Vulcan方法相比，城市SRIs通常将范围1、2和3的元素组合在一起，构成整个城市清单。范围的混合通常反映了个别城市的利益，部分反映了城市目前用于估计排放量的协议。例如，Vulcan量化所有FFCO₂位于城市边界内的发电厂的排放，无论电力在哪里出售(范围1)。然而，大多数城市将估算FFCO₂在城市边界内由电力消耗引起的排放，无论这些排放实际发生在何处(范围2)。

鉴于这些差异，对每个城市的SRI进行了仔细审查，以分离出范围1的部门排放。在SRIs中不存在范围1的排放扇区的地方，它们在火神星中同样被消除了。SRIs中缺失的典型部门是机场、铁路和非公路。瓦肯目前没有报告与废物流中的物质衰变相关的排放，因此这从SRIs中删除了。消除与废物相关的排放也有助于更紧密地对齐排放的气体。大多数城市的SRIs报告的单位是当量CO₂，包括非co₂按温室气体对气候变化的相对影响加权。因为非co₂SRIs的排放主要由废物处理和Vulcan只量化CO₂化石燃料燃烧产生的排放物。然而，可能有少量的非co₂SRI内的排放量没有被Vulcan量化，因此，在其他条件相同的情况下，我们预计SRI结果报告的排放量比Vulcan大。

经过这些调整步骤后，单个城市排放相对于原始总量的平均比例为86.4%，这表明这里进行的比较捕捉了大部分原始SRI排放。对Vulcan和SRI结果的所有单独调整都在源数据中进行了描述。

评论Nangini等人的研究

Nangini等人报告了一份在美国提交给CDP的SRIs档案¹³．这些SRIs直接提供给CDP，很少有文档或信息支持。Nangini等人对提交的数据进行了一些质量控制，并在SRI提交的数据中附加了各种社会经济辅助数据(例如，人口、国内生产总值、气候)。本文主要旨在为包含的数据存档提供文档支持，其中包括美国以外的许多城市。美国提交给CDP的文件，无论是最初提交的还是Nangini等人存档中的，均未用于本研究。单个城市的估计没有充分的文件记录，使得系统边界难以对齐。事实上，对于当前研究和Nangini等人存档的那些重叠的城市，数值一致性很难实现。因此，本研究选择获取原始的SRI估估值和可用的文档作为SRI数据集，在此基础上构建本文报告的比较。

Nangini等人的研究将有限的城市排放与旧版本的Vulcan数据产品(2.0版本)进行了比较。然而，Vulcan 2.0版本的空间分辨率为100公里²(相比之下，1公里²在3.0版中)，并表示2002年的排放量。在Nangini等人的研究中，城市区域的隔离使用了近似城市地理的圆形轮廓。由于Nangini等人使用的SRI估价值都与2002年不一致，历年不匹配、低分辨率Vulcan结果、缺乏部门细节、不同的系统边界以及近似的地理表示，使得该论文中进行的比较不适合作为比较分析。