跟踪公司2减排的空间:一个案例研究在欧洲最大的化石燃料发电厂
雷Nassar
1*,
Omid Moeini1,
发生极端
2,克里斯托弗·w·O 'Dell3,罗伯特·r·纳尔逊4,马索基尔4,阿布Chatterjee4,Annmarie老4
__和大卫脆4
__
- 1环境和气候变化加拿大,多伦多,加拿大
- 2加拿大的多伦多大学,多伦多
- 3科罗拉多州立大学,柯林斯堡,美国有限公司
- 4加州理工学院喷气推进实验室,帕萨迪纳市,美国
我们量化有限公司2欧洲最大的排放化石燃料发电厂,Bełchatόw电站在波兰,使用有限公司2观察来自美国宇航局的轨道碳观测卫星(OCO) 2和3任务场合从2017年3月到2022年6月10日。太空公司2排放估计揭示排放变化的趋势是一致的独立报道每小时发电趋势结果永久和临时单元关闭。“轨道碳观测者2号”和OCO-3排放估计同意自底向上排放估计在各自1σ不确定性的9 10次。不同的方法来定义背景值和相应的不确定性研究为了更好地理解这一重要的潜在误差的贡献。这些结果证明现有的太空的能力有限公司2观察量化减排时对大型设备足够的覆盖率和回顾。结果信息对于理解预期的计划能力和潜在的局限性哥白尼人为有限公司2监控(CO2M)和其他未来的卫星支持监测和验证有限公司2缓解气候变化带来的减排努力如巴黎协议。
1介绍
减少公司2在化石燃料燃烧排放控制全球气温的上升,至关重要的核心目标联合国气候变化框架公约(UNFCCC)巴黎协议。大约一半的全球化石燃料有限公司2排放来自发电厂等大型设施(歌手et al ., 2014;国际能源署,2019)。一个基于观察的方法量化有限公司2排放这些设施可以支持透明度根据巴黎协议。使用天基大气观测全球有限公司2排放监测系统一直被认为十多年来(Bovensmann et al ., 2010;帕卡拉et al ., 2010)。哥白尼人为有限公司2监控(CO2M)的任务是计划2 - 3卫星星座,包括欧盟委员会(European Commission)的空间分量的温室气体监测和验证支持(MVS)能力(Ciais et al ., 2015;梅耶尔et al ., 2017;Pinty et al ., 2017)。CO2M任务需求文档(MRD)确定这些目标:
1)检测发射热点,如大城市和发电厂,
2)监控热点排放评估减排/增加,
3)评估与当地减排目标监控排放变化的影响在全国范围内确定贡献(ndc)根据巴黎协议,
4)来评估国家排放和5年时间步的变化来估计全球盘点。
在此之前,在Nassar et al。(2017),我们首先提出了检测和量化的有限公司2单个发电厂排放源自观察由NASA的轨道碳观测卫星2号(“轨道碳观测者2号”)(脆et al ., 2017),这有助于证明CO2M首要目标的选择情况下,足够的覆盖率。其他工作探讨了不同的建模和分析方法(郑et al ., 2019)和同时使用卫星有限公司2也没有2数据(路透社et al ., 2019;Hakkarainen et al ., 2021)电厂有限公司2排放量化。“轨道碳观测者2号”发射方法改进估计中实现Nassar et al。(2021)。我们公司的量化2在欧盟减排最大的公司2点光源,Bełchatow电站在波兰,调整Nassar et al。(2021)方法3 (OCO-3)轨道碳观测卫星,从而证明CO2M第二个目标的一个案例研究在大型发电厂。基线有限公司2Bełchatow附近观察了2017年3月与“轨道碳观测者2号”(Nassar et al ., 2021;脆et al ., 2022)。使用新的公司2映射OCO-3能力(泰勒et al ., 2020)Bełchatow从2020年4月到2022年6月,我们确定减排符合报告每小时发电的变化。据我们所知,这工作代表人为公司的第一个天基观测证据2减排规模的一个设施,展示的可行性facility-scale排放监测支持跟踪公司的努力2巴黎下减排协议。在2025 - 2026年推出之后,CO2M将开始启用MVS能力远远超过现有的任务,而从长远来看,一个国际互补轨道卫星组成的星座和观察方法(脆et al ., 2018)可以提供进一步增强技术有限公司2排放监测。
2方法
2.1观测和气象数据
美国宇航局的“轨道碳观测者2号”卫星(脆et al ., 2017)成立于2014年7月,观察在太阳同步轨道上的(∼705公里高度)的赤道穿越时间∼13:30升交点。“轨道碳观测者2号”成像能力有限,测量column-averaged摩尔分数的有限公司2(XCO2)在八parallelogram-shaped足迹(≤1.29×2.25公里2)在一个狭窄的范围,范围从∼2到10公里。OCO-3发射到国际空间站(ISS) 2019年5月,类似于“轨道碳观测者2号”,但从较低的观察(∼420公里),进动轨道,而不是在太阳同步轨道上的。OCO-3也略大的足迹(≤1.6×2.2公里2)和增强扫描能力通过添加指向镜装配(PMA)。OCO-3 PMA使多个扫描的区域快照地区提供XCO映射(SAM)模式2意象在城市规模在2分钟(感兴趣的领域泰勒et al ., 2020)。我们经常指的是全套的观察从天桥作为山姆山姆模式。
我们生成的锁眼标记语言(KML)文件查看“轨道碳观测者2号”,10 (v10) XCO OCO-3版本2数据,风矢量和云在谷歌地球,使评估等问题复杂的地形,周边地区的地面水达到口岸或相关辅助源文档。云观测使用“轨道碳观测者2号”上的中分辨率成像光谱仪(MODIS) Aqua,苍蝇在a -∼6分钟后“轨道碳观测者2号”。OCO-3, MODIS Aqua和Terra云数据被认为是,虽然都可以有大量时间偏移量相对于OCO-3。我们使用从MERRA-2风信息(0.5°×0.65°,平均3 - h) (Molod et al ., 2015)和ERA-5(0.25°×0.25°,瞬时每小时)(贝尔et al ., 2020)。
“轨道碳观测者2号”和OCO-3 KML文件和排放估计是基于美国宇航局大气碳从太空观察(这些“可信赖医疗组织”;O 'Dell et al ., 2012;脆et al ., 2012)建立10算法产生v10数据。一般来说,我们使用bias-corrected但未经过滤的“轨道碳观测者2号”和OCO-3 v10 XCO2从图像数据,因为方法好处与一些数据差距,但在两个实例对OCO-3(稍后介绍),标准过滤被应用。除了使用XCO相同2检索算法,“轨道碳观测者2号”和OCO-3也校准和验证对相同的地面参考数据的总碳列观察网络(TCCON) (Wunch et al ., 2011),这是与世界气象组织(WMO)标准有限公司2参考范围。然而,对于“轨道碳观测者2号”,小错误指向知识(∼1/3的足迹)导致XCO2偏见的粗糙的地形。这些偏见在版本大大减少9 (基尔et al ., 2019)和版本10进一步改进。OCO-3指向错误的结果从不同的因素比“轨道碳观测者2号”,努力减少他们仍在不断发展,因此OCO-3指向错误可能略大,但通常小于足迹(0 - 2公里∼)。
2017-03-28立交桥进行了分析Nassar et al。(2021)是一种罕见的“轨道碳观测者2号”天桥附近Bełchatow风方向相交的“轨道碳观测者2号”片,visually-discernable增强和自由排放量化的其他的问题。这个“轨道碳观测者2号”天桥和九OCO-3 sam从2020年4月到2022年6月所示图1和用于目前的分析量化Bełchatow电站有限公司2发射会随着时间而改变。
图1。Bełchatόw电厂立交桥从“轨道碳观测者2号”(2017-03-28)和OCO-3(其他所有人)。彩色平行四边形bias-corrected XCO2足迹与定制颜色尺度,覆盖在谷歌地球表面陆地卫星/哥白尼卫星图像。发电厂的位置是黄色的策略和MERRA-2(蓝色)和ERA-5(粉红色)风矢量显示为箭头的长度与风速成正比。空间尺度表示在每个面板的左下方。
2.2高斯烟羽模型
我们模拟XCO2增强使用地产高斯烟羽模型基于以下方程,如Nassar et al . (2017;2021):
V是有限公司2垂直列(g / m2)点源,顺风。的x方向平行于风方向和y方向垂直于风向。V取决于发射率F(g / s)在风的距离y(m),风速u(m / s)在柱中线的高度,和标准偏差y方向,σy(m)。这里x m和中指定o= 1000米是一个特征长度指数是无量纲的论点。大气稳定参数是由分类由Pasquill-Gifford源环境稳定,取决于表面风速、云量和每天的时间(Pasquill 1961;马丁,1976)。所有附近的立交桥被当作晴空来源基于“轨道碳观测者2号”成功或者OCO-3观察和MODIS云数据的目视检查。向量的平均MERRA-2 ERA-5是用来减少离群值的影响从单个气象数据集。修改后的稳定性参数方法一个(Pasquill 1961;马丁,1976)应用Nassar et al。(2021)。
2.3羽流上升,背景,风优化和model-observation健康
确定柱中线的高度,我们占羽超越堆码高度Nassar et al。(2021)假设一个典型的250基础上的崛起Brunner et al。(2019)。下面讨论了发射的不确定性有关羽流上升。
确定XCO2增强(ΔXCO2从“轨道碳观测者2号”),找到了背景值的一定距离内平均足迹从羽片在一个或两个方向(不含缓冲区域通常是关于“轨道碳观测者2号”足迹的长度)所示图2一个。OCO-3,我们修改的背景方法由山姆提供不同的保险模式,而不是平均30公里半径内的足迹,不包括柱和3公里缩小缓冲地区(选为大致OCO-3足迹的长度),如图所示图3。对于每个山姆,意味着分子/ m的背景值2从OCO-3 2级标准文件转化为g / m2和使用意味着XCO2值相同的一组脚印获得转换系数“k”(ppm·g−1米2),这是用于转换模型有限公司2增强ΔXCO2在ppm。不确定性相关背景选择在下面讨论。
图2。有限公司2从“轨道碳观测者2号”发射量化Bełchatόw天桥上2017-03-28。(一)一维XCO的视图2足迹值通过崩溃航迹方向显示增强或羽足迹(红色),背景的足迹(蓝色)和其他人(黑)。背景值由平均所有蓝色的点显示为垂直的绿线。(B)观察XCO2相对于背景值与积极的一面x设在与风向保持一致。(C)高斯烟羽模型XCO2增强与虚线表示增强和背景之间的地区。(D)模型XCO2增强将观察到的“轨道碳观测者2号”,观察模型中使用的健康。
图3。背景XCO2OCO-3排放估算的平均XCO决定2在洪半径不包括羽部门(左)和一条狭窄的缓冲区域。背景的不确定性决定的不确定性越高,结果两个乐团之一:1)不同半径合奏的20岁,30、40公里半径(上部中心和右)和2)完整的洪半径随着东部和西部部分相同的半径(较低的中心和右)。
“轨道碳观测者2号”/ OCO-3脚印组成观察羽羽程度对应的高斯烟羽模型(方程式1、2)。的参数σy(x)与柱宽度,根据大气稳定性参数一个决定从平均风速(在柱中线的高度)的气象数据。就像在Nassar et al。(2021),我们样本模型等积25 parallelogram-shaped sub-footprints,我们平均给模型值对应于一个“轨道碳观测者2号”/ OCO-3足迹。我们也占的路径传入和/或反射光通过类似的几何方法的羽毛我们过去的工作(Nassar et al ., 2017)。
一个最小二乘模型和观察ΔXCO之间的配合2执行和相关系数(R)计算x设在与向量的均值MERRA-2 ERA-5风。调整的平均风向45°也应用和最佳风向被认为是最大化R。如果一个低R即使得到优化,结果认为小心因为这意味着观测质量可疑的或真正的羽毛是差近似高斯,认识到一个高斯分布并不总是有效的近似点源羽。排放估计是基于规模所需的因素一个单位排放匹配合适的观测,所以它是独立于之前排放估计。
2.4发射的不确定性
发射确定各种不确定性因素和不确定性然后添加这些组件在正交(1σ)的不确定性ε。
由于风速的不确定性(εw)计算的相对差异MERRA-2或ERA-5风速平均风速,那么这个相对差异转化为(ktCO排放2/天)。其他不确定性条件计算使用一个方法,在不同的值用于计算进行排放估计,然后总体的标准偏差被认为是该组件的不确定性。
背景的不确定性(εb)进行排放估计不同的合理的背景区域,然后这些估计的标准偏差。“轨道碳观测者2号”,manually-selected背景不同的直线距离从源。OCO-3地对空导弹,背景合奏是基于背景,决心从20半径内所有的足迹,从源30 - 40公里,扣除3公里的羽流区和一个缓冲区域两侧的羽毛。以来东西方渐变背景地区有时OCO-3观察,我们还考虑了30公里半径内的贡献由于变化估算排放仅使用东方或西方的一半相同的圆形区域,也给第二个集合组成的3个成员:洪半径,东部和西部。更大的不确定性造成这两个乐团(不同的半径,full-eastern-western)为背景的不确定性。这种方法也可以适用于渐变的背景发生在其他方向,如果需要的话。
误差项(εr)介绍Nassar et al。(2021)羽流上升的影响占人为有限公司2发射量化(Brunner et al ., 2019)。我们获得一个整体的排放估计假设羽流上升的值100,200,250,300和400,符合Brunner et al。(2019),典型的羽流上升为一家大型德国电厂附近的山峰250(尽管冬天略低)的偏态分布表现出尾巴高值。
对于“轨道碳观测者2号”增加不确定性εe)是决定整体的排放量估计使用检索数据的变化而不是试图传播个人“轨道碳观测者2号”或OCO-3 XCO2足迹的不确定性,一个未知的相关性。在Nassar et al。(2017)不同的偏差纠正方法与“轨道碳观测者2号”版本7数据(包括non-bias-corrected数据)被用于这一项。在Nassar et al。(2021)为“轨道碳观测者2号”,增强整体立交桥v9和v10观察使用。OCO-3,没有早期版本的可用数据根据不同的检索算法和使用non-bias-corrected数据或临时偏差修正是气馁。对于OCO-3,我们探索计算εe使用不同的滤波方法,但它导致不切实际的在某些情况下,可以忽略不确定性很大的不确定性,这是停止。OCO-3,从而省略了εe术语。先前发表的“轨道碳观测者2号”Bełchatow 2017-03-28天桥报告为98.2±11.9 ktCO2/天,不确定性只是±11.6 ktCO略有减少2/天。
占所有相关的不确定性在适当的定量意义上是一个挑战。这里我们试图量化的不确定性,我们认为合理的,但承认我们引用总不确定性的不确定性可能低估了由于缺失的条款或下落不明的相关性在现有的条件。
3的结果
3.1发射估计和不确定性来自“轨道碳观测者2号”和OCO-3观察
Bełchatow发电站是世界上第五大火力发电厂基于当前铭牌容量5102兆瓦。它是世界上最大的褐煤发电厂——和褐煤(褐煤)通常有更高的排放强度(kgCO2/千瓦时)比无烟煤(无烟煤)。37.6 MtCO Bełchatow的年度排放22017年在欧洲污染物释放和转移登记(E-PRTR),当它有13个单位操作5420兆瓦的发电能力,添加新的858 MW机组后并在2019年之前关闭其古老的单位。(2017-03-28)于2017年3月28日12:23欧洲中部标准时间(c)、“轨道碳观测者2号”做了一个近距离飞越∼3公里顺风发电厂(图1)。“轨道碳观测者2号”v10 (XCO Bias-corrected,过滤2)数据产生广泛的干净的背景(基于851的足迹,图2)和观察到的增强(24足迹)给出了一个最大的相关性与我们的羽流模型只需要0.726−2.0°旋转MERRA-2和ERA-5意味着风向。估计是98.2±11.9 ktCO排放2/天(1σ的不确定性),在5%的每日103 ktCO的平均值2每天来自2017 E-PRTR年度排放。
从2020年4月到2022年6月包容,试图通过在Bełchatow OCO-3 69地空导弹。15这些地空导弹与XCO有至少1000的足迹2成功地检索数据丢失后由于云层和其他因素(不含数据质量筛选),但有时缺乏观测接近和顺风的来源。OCO-3山姆观察Bełchatow被云不阻塞,风速可接受的高斯分布建模(≥2 m / s)获得了2020 - 2022年期间在九个不同的日期。的日期、时间、排放估算、总给出了不确定性和相关信息表1。这些立交桥的风速和方向了表2和组件的不确定性表3。
表1。Bełchatόw有限公司2排放估计在多个日期而发电。
表2。为每个排放估计风速和风向。
表3。组件不确定性ktCO2/天。OCO-3两个不同背景乐团计算:1)可变半径和2)完整的圆,东、西与较低的不确定性在括号中使用的高价值总额的不确定性。最大的贡献者总不确定性以粗体显示。
OCO-3观察到山姆在Bełchatow 2020-04-10(∼十四36 c),大约是80×120公里2(不包括扩展的背景区域。风吹向东南部平均速度为3.86米/秒导致有限公司2羽顺风从发电厂,作为增强上面稍微XCO嘈杂的背景2。30公里半径背景部门由614名足迹和羽流由129足迹给0.657的最大相关应用+ 3.0°旋转到平均水平风向。排放估计为81.1±8.9 ktCO2/天(图4)。占主导地位的不确定性是风速(8.2 ktCO2/天)只有微小的贡献与其他因素(表3)。
图4。有限公司2排放的量化OCO-3 Bełchatόw山姆在2020-04-10。(一)点代表足迹作为增强彩色(红色),背景(蓝色)和其他(黑)。(B)观察XCO2相对于积极的背景值的足迹x设在与风向保持一致。(C)高斯烟羽模型XCO2增强与虚线表示增强和背景之间的地区。(D)模型XCO2增强功能将被OCO-3和用于观察模型拟合。
2020-04-17 (∼42 c)最初OCO-3山姆给小于0.200的最大相关性即使风调整,表明一个贫穷的健康。源位置之间的偏差和羽毛的起源可能负责低相关性。OCO-3观察目前涉及地理位置校正(泰勒et al ., 2020)和1σ的大小约2公里,但校正方法仍在不断发展。探索临时转移到羽毛起源表明抵消在这种情况下可能会大于2公里;然而,同样的效果也可能导致一些偏见源附近的足迹。当我们不确定如果一个地理定位问题或有偏见的脚印是根本原因,我们只适合羽在8公里从原点开始,使相关0.332风力调整为-8.62°和76.3±3.4 ktCO排放估计2/天(图5)。再次,风速是主要因素的不确定性(3.2 ktCO2/天)。
图5。一样图4对于OCO-3 Bełchatόw山姆在2020-04-17。面板(D)表明,羽毛是适合开始在8公里从源附近由于问题羽毛的起源可能与地理位置相关的错误。
早些时候分析导致这个工作调查晴空山姆2020-04-08平均风速较低(1.68米/秒),风向突然改变前1 - 2小时的观察。山姆是不包括在当前分析由于高斯烟羽模型需要一个常数风向和不被认为是可靠的风速小于2米/秒,平流在哪里不是在扩散占主导地位(路透社et al ., 2019)。2020-04-08山姆正在调查与其他高分辨率建模方法和山姆的分析将在未来的工作。
排放估计和不确定性来自其他导弹的测定,从2021年6月,2021年10月和2022年6月,从每个月的例子图6- - - - - -8。2021-06-20的山姆,0.508得到的相关性和排放24.0 ktCO的估计2每天与我们通常的方法的应用数据质量筛选,经常删除足迹比我们的方法,有时给了杂散发射所需的估计和更低的相关性。在这种情况下,应用标准OCO-2/3数据质量过滤器提高了相关性与排放估计28.0 ktCO 0.5432/天,因此我们认为这与过滤排放估计数据作为一个更现实的结果。而高于排放估计没有数据过滤,这仍然是最低的排放估计Bełchatow最大,代表了绝对的还是相对的区别预期Bełchatow排放(3.2节中解释下文)。2022-06-24山姆,过滤删除一些低偏差背景足迹同时给予相同的相关性,所以排放估计与标准OCO-3过滤报告。对于所有其他地对空导弹,结果没有数据质量筛选。报告的日期和时间、发电,预计排放量,OCO-3排放估计和不确定性,相关性,羽和背景的OCO-3足迹SAMs分析给出了表1。
图6。一样图4对于OCO-3 Bełchatόw山姆在2021-06-19。
图7。一样图4对于OCO-3 Bełchatόw山姆在2021-10-08。观察到XCO2羽出现弱由于风速较高(10.07 m / s)消散的增强。
图8。一样图4对于OCO-3 Bełchatόw山姆在2022-06-24。更多的失踪的足迹在面板(明显(A, B))是由于相比其他地对空导弹的应用数据质量筛选。虽然观察到(面板(B))和模型(面板(D))增强匹配很好,估计排放高于预期,甚至改进后采用标准OCO-3数据质量过滤器。
3.2与预期的排放值
尽管E-PRTR只报告年度排放,欧洲电力传输系统运营商的网络(ENTSO-E)透明度平台(https://transparency.entsoe.eu/dashboard/show)为欧盟提供每小时发电电厂单位只有一天的延迟。其目标是促进信息获取所有市场参与者和利益相关者促进透明度。报道日期为10小时发电提供了在这个研究调查表4。从12:00-13:00 2017-03-28 c, Bełchatow“轨道碳观测者2号”观察到的时候,它已经和4755兆瓦的发电运行的所有单位报道。每小时发电范围从1830到3772千瓦的9次Bełchatow被OCO-3观察。对于这些10次,平均每小时发电3151千瓦,而平均估计排放“轨道碳观测者2号”和OCO-3观察ktCO分别为75.1±9.42/天。的比例是发射率是发电给一个排放强度(ktCO2/千瓦)Bełchatow我们可以适用于所有立交桥所示计算碳排放表1。预期的排放值也有相关的不确定性发电报道价值的不确定性和变化为不同单位排放强度。格尼et al . (2016)发现公司报道的不确定性2美国发电厂排放的平均差异6%的月度报告排放从两个不同的政府数据集。我们推导欧洲每小时排放报告为一个大型发电厂发电。更好的时间尺度和代理方法(发电作为有限公司的代理2排放)可能会提出更高的相对发射的不确定性,而这样的大型发电厂发电可能相对较低的不确定性,所以我们假设适度1σ为5%的不确定性预期的排放。
表4。报道每小时Bełchatόw电站的发电千瓦(千瓦)欧洲网络或传输系统运营商的电力(ENTSO-E)透明度平台。值显示作为报道每一代的总和(千瓦)在最后一行指定的单位。天桥时间在第二行与相应的每小时发电的时间用粗体斜体表示。
排放估计视觉与预期的排放量相比,每个1σ的不确定性图9,这表明总体而言,减排和增加明显发现类似的定性趋势来源于OCO-2/3观察和那些预期基于发电报道。九10排放估计同意在预期值在1σ的不确定性。相关值的范围从0.280到0.885,包括7 10 R > 0.500和8 10 R > 0.400。令人惊讶的是,与相关性最低两个实例,取得了最好的协议排放估算和报告的排放。我们计算的比例绝对差(估计排放和预期之间的排放)1σ不确定性作为另一个指标来衡量排放与预期排放量之间的协议。均值比率是1.25,比中值为1.02,与值接近1表明不确定性的规模差异。主要的例外是2021-06-20地对空导弹(我们已经应用过滤改善结果)一定程度上是由于非常低的不确定性。
图9。时间序列的排放量预计基于ENTSO-E报道发电和“轨道碳观测者2号”/ OCO-3观察每1σ误差。
的情况下发射与预期估计从OCO-2/3不是在好协议排放,但相关性很好,背景和/或有偏见的风力数据差异的原因。例如,2021-06-18山姆XCO展览一个不对称的背景,低2东方价值观的来源可能不是一个好表示的背景下西北羽。这是验证了估算排放使用背景,只有包括足迹以西的来源,使估计87.1 ktCO2/天(而不是101.1±12.7 ktCO2/天)与预期的86.3 ktCO更好的协议2/天。我们的方法已经占了这个效应包括背景敏感组件的不确定性,这是高在2021-06-18的情况下。2021-06-20、MERRA-2之间的协议和ERA-5风速可能是一个巧合,收益率很低风速的不确定性,这可能是一个真正的不切实际的表示由于风速的不确定性的贡献。
4讨论和结论
我们分析了九个新OCO-3 SAMs附近的Bełchatow电站从2020年4月到2022年6月并把他们与先前发表的“轨道碳观测者2号”Bełchatow排放估计从2017年3月(Nassar et al ., 2021;脆et al ., 2022)。集体的分析这十立交桥提供公司的强有力的证据2在Bełchatόw减排符合减少发电,欧洲最大的化石燃料燃烧发电厂。监测强有力的本地化来源或热点来验证减排的主要目标之一是欧洲委员会的计划监控和验证支持(MVS)能力的哥白尼人为有限公司2监控(CO2M)卫星星座是主要的空间组件。我们已经证明了这种能力与现有空间有限公司2观察在一个大型发电厂在这个案例研究中通过比较我们的派生排放趋势预期的趋势基于发电报道值。
太空公司2观察多希望在未来努力监督和最终提供信息以帮助减少人为有限公司2排放来缓解气候变化。我们的结果表明太空公司的能力2数据检测和量化减排规模在当地,为了有效地监测人为有限公司2排放量和削减他们的计划。多个卫星发射计划在未来3 - 4年,即MicroCarb (Bertaux et al ., 2020),GeoCarb (摩尔et al ., 2018),GOSAT-GW (Kasahara et al ., 2020)和CO2M (梅耶尔et al ., 2019)。在250公里范围,每个CO2M卫星将提供约50倍的土地覆盖“轨道碳观测者2号”或OCO-3。结合他们的报道和其他即将到来的成像卫星将增加能力超过两个数量级比目前的观察。这里我们有量化排放的大型设施,但如果未来观测提供类似的精度,增加覆盖率和重新审视利率,量化较弱的来源将是可能的。
之前的研究表明,“轨道碳观测者2号”的狭窄范围导致一些立交桥附近的电厂,也给许多不同的风向和片之间的几何排列。小数量的好例及其不同几何形状复杂的发展标准化或自动化的方法,背景定义(和背景不确定性)。这是多个原因之一过去“轨道碳观测者2号”发射估计涉及某种程度的人工干预和决策。与OCO-3地空导弹基本上消除了几何校正问题,也提供了更多的立交桥,这里我们有尝试更加标准化,减少主观治疗背景定义和背景的不确定性等问题。这是一个一步使整体更自动化的方法,这将是至关重要的,facility-scale运营有限公司2排放监测与未来大片像CO2M任务,但对具有复杂背景的情况下仍然可以是一个挑战。
同样重要的是要注意一些限制的工作,其结论对于有限公司2排放监测。报告在《联合国气候变化框架公约》目前处理年度时间表,但推导空间不是微不足道的年度排放量和设施规模还有待证实。希尔和纳塞尔(2019)检查间歇性的问题或intra-annual可变性美国电厂的报道来自美国环境保护署(EPA)的数据。Intra-annual变化火力发电厂有限公司2排放证明非周期,出现间歇性不能预测在缺乏外部数据。然而,有足够的再次使用样例间歇性,年排放量可以估计的精度与每日排放估计基于间歇性的统计处理。例如,它决心,如果每天facility-scale有限公司2排放可以估计有10%的不确定性,那么需要41立交桥实现年排放量10%的不确定性。因此,大量的立交桥将被要求证明年际facility-scale有限公司2减排幅度不到10%,这可能需要多个卫星的星座,利用互补的轨道。推断出的Nassar et al。(2021),多个再次使用一个给定的设施减少排放的随机误差分量的估计,这样八个美国设施立交桥,个人估计和报告排放之间的平均差为15.1%,但总体差异只有0.8%。在目前的工作,意味着不确定性排放约12.2%,但由于预期排放总量将观察到的总排放量,他们通过设计都是平等的。
这项工作表明,仍有改进的空间在减少不确定性有限公司2从太空发射量化。两个方面需要持续改进XCO2检索和外部气象数据。6的10次,最大的不确定性因素是背景,而10 4次平均,最大的不确定性因素是风速、来自外部气象数据集。背景的不确定性主要是与XCO有关2检索相对精度和观测spatially-dependent偏见的存在(潜在的相关因素,如查看几何、气溶胶,薄薄的云层,地形或表面反照率的贡献)。CO2M打算产量减少这种偏见通过添加的多角度偏振计(地图),这将解决偏见由这些因素引起的。此外,需要注意的是,小辅助源文档(甚至下沉)在后台场背景也是一个因素的不确定性。对于Bełchatow这些应该可以忽略不计,但对于许多其他点源这些辅助源可能是巨大的。CO2M也没有配置2成像能力,将有助于识别辅助源文档,并协助确定柱形状、风向和一般区分背景(的羽了et al ., 2021)。发射的不确定性也将改善更准确的风速数据的可用性与气象数据集。实现这样的改进可能需要增强卫星和的组合原位观察和气象数据同化系统,但实现所需的改进建议是超出了这个工作的范围。
新兴的研究表明,非常精细的空间分辨率(∼50米)空间有限公司2成像观测可以使小型发电厂排放量化(Strandgren et al ., 2020),尽管这些任务将主要工作目标模式的利益来源,使它们像CO2M补充任务,旨在提供全球覆盖,以及其他计划或提出任务设计的快速回顾区域域(如。摩尔et al ., 2018;一部et al ., 2019;Nassar et al ., 2019)。无论如何,云层和夜间条件将继续限制有限公司2基于被动观察短波红外(短波红外成像)太阳能反射OCO-2/3和CO2M等。勘探的观测方法,避免使用云(例如。苏乔et al ., 2021)或主动传感可以提供互补从太空观察,而地面——或机载观测也可以发挥重要作用在克服这些限制。
这项工作重申能力量化facility-scale有限公司2首次排放空间和展示能力监测有限公司2排放变化随着时间的推移,寻址的第一和第二目标CO2M在案例研究欧洲大型燃煤发电厂。公司的扩张的星座2卫星从地面或其他相关观测平台和建模工具应该能够提供更健壮的监测设施的范围大小。尽管一些限制,这一新兴监控验证和支持(MVS)系统可以发挥重要作用的综合管理和支持人为有限公司2为了实现减排目标在巴黎协议。
数据可用性声明
“轨道碳观测者2号”,OCO-3 MODIS和MERRA-2数据可用GES盘:https://disc.gsfc.nasa.gov/。ERA-5数据可用气候数据存储:https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp # ! / home。ENTSO-E电力数据是可用的:https://transparency.entsoe.eu/dashboard/show。
作者的贡献
RN构思研究和方法论,创建数据和写的手稿。OM的方法应用于估计排放,创建了一些数字。J-PM促成了估计方法和排放。公司会导致发展OCO-2/3 XCO2检索。RRN和可导致OCO-2/3检索和OCO-3操作。AE、直流和交流“轨道碳观测者2号”和OCO-3操作和导致OCO-2/3检索。所有的合作者的修订手稿。
资金
这里描述的一些工作进行了喷气推进实验室,加州理工学院的,根据合同,国家航空和宇宙航行局(NASA)。美国政府赞助是承认。CSU贡献这项工作是由美国航空航天局80年玫瑰格兰特nssc21k1078,美国宇航局喷气推进实验室分包合同1557985。
确认
我们感谢美国国家航空航天局(NASA)让“轨道碳观测者2号”,OCO-3和MERRA-2数据公开。我们感谢欧洲中期天气预报中心(ECMWF) ERA-5数据和承认,欧盟委员会(EC)和ECMWF负责结果或结论来源于使用他们的数据。我们感谢ENTSO-E EPRTR让欧洲能源和排放数据公开。我们感谢谷歌让谷歌地球应用程序公开和陆地卫星,为应用程序的底层图像哥白尼。“轨道碳观测者2号”和OCO-3 v10数据可用GES盘:https://disc.gsfc.nasa.gov/。我们感谢梅根·道森(滑铁卢大学)的代码视图MODIS云图像与OCO-3数据和Jinwoong金(ECCC)有用的评论的手稿。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
出版商的注意
本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。
引用
贝尔,B。,Hersbach, H., Berrisford, P., Dahlgren, P., Horányi, A., Sabater, M., et al. (2020). ERA5 hourly data on pressure levels from 1950 to 1978 (preliminary version). Copernic. Clim. Change Serv. (C3S) Clim. Data Store (CDS). AvaliableAt:https://cds.climate.copernicus-climate.eu/cdsapp # ! /数据/ reanalysis-era5-pressure-levels-preliminary-back-extension ?标签=概述。
Bertaux J.-L。,Hauchercorne, A., Lefèvre, F., Bréon, F.-M., Blanot, L., Jouglet, D., et al. (2020). The use of the 1.27 µm O2吸收带的温室气体监测MicroCarb从空间和应用程序。大气压。量。技术。13日,3329 - 3374。doi: 10.5194 / amt - 13 - 3329 - 2020
Bovensmann, H。Buchwitz, M。,Burrows, J. P., Reuter, M., Krings, T., Gerilowski, K., et al. (2010). A remote sensing technique for global monitoring of power plant CO2排放的空间和相关应用程序。大气压。量。技术。3,781 - 811。doi: 10.5194 / amt - 3 - 781 - 2010
Brunner D。,了,G。,Marshall, J., Clément, V., Fuhrer, O., Broquet, G., et al. (2019). Accounting for the vertical distribution of emissions in atmospheric CO2模拟。大气压。化学。理论物理。19日,4541 - 4559。doi: 10.5194 / acp - 19 - 4541 - 2019
巴兹。,Orphal, J., Checa Garcia, R., Friedl-Vallon, F., von Clarmann, T., Bovensmann, H., et al. (2019). Geostationary emission explorer for Europe (G3E): Mission concept and initial performance assessment, atmos.量。技术。8,4719 - 4734。doi: 10.5194 / amt - 8 - 4719 - 2015
Ciais, P。,脆,D。,V一个n Der Gon, H. D., Engelen, R., Janssens-Maenhuot, G., Heimann, M., et al. (2015).对欧洲业务观测系统监控石化有限公司2排放。布鲁塞尔:欧洲委员会。
脆,D。,Dolman, H., Tanhua, T., McKinley, G., Hauck, J., Bastos, A., et al. (2022). How well do we understand the land-ocean-atmosphere carbon cycle?启“。2021 rg000736。rg000736 doi: 10.1029/2021
脆,D。,Fisher, B. M., O’Dell, C., Frankenberg, C., Basillio, R., Bösch, H., et al. (2012). The ACOS CO2 retrieval algorithm – Part II: Global XCO2数据描述。大气压。量。技术。5,687 - 707。doi: 10.5194 / amt - 5 - 687 - 2012
脆,D。,梅耶尔,Y。,Munro, R., Bowman, K., Chatterjee, A., Baker, D., et al. (2018).一个星座架构从太空监测二氧化碳和甲烷。比利时布鲁塞尔:喷气推进实验室,国家航空和宇宙航行局。
脆,D。,Pollock, H. R., Rosenberg, R., Chapsky, L., Lee, R. A. M., Oyafuso, F. A., et al. (2017). The on-orbit performance of the Orbiting Carbon Observatory-2 (OCO-2) instrument and its radiometrically calibrated products.大气压。量。技术。10日,59 - 81。doi: 10.5194 / amt - 10 - 59 - 2017
格尼,K。,Huang, J., and Coltin, K. (2016). Bias present in US federal agency power plant CO2排放数据和对美国清洁能源计划的影响。环绕。卷。11日,064005年。1748 - 9326/11/6/064005 doi: 10.1088 /
Hakkarainen J。、Szeląg m E。Ialongo,我。,Retscher, C., Oda, T., and Crisp, D. (2021). Analyzing nitrogen oxides to carbon dioxide emission ratios from space: A case study of the matimba power station in south Africa.大气环境10日,100110年。doi: 10.1016 / j.aeaoa.2021.100110
山,T。,和Nassar R。(2019). Pixel size and revisit rate Requirements for monitoring power plant CO2排放的空间。远程Sens。11日,1608年。doi: 10.3390 / rs11131608
国际能源署(Iea) (2019)。有限公司2燃料燃烧排放的。法国巴黎:经合组织/机构。AvaliableAt:www.iea.org。
笠原,M。学前,M。,在一个oka, K., Fujii, H., Kubota, T., Shimada, R., et al. (2020). Overview and current status of GOSAT-GW mission and AMSR3 instrument.Proc, SPIESensors系统。下一代Satell。11530年,1153007。doi: 10.1117/12.2573914
基尔,M。,O 'Dell c W。费舍尔,B。,Eldering, A., Nassar, R., MacDonald, C., et al. (2019). How bias correction goes wrong: Measurement of XCO2受到错误的表面压力的估计。大气压。量。技术。12日,2241 - 2259。doi: 10.5194 / amt - 12 - 2241 - 2019
了,G。、Henne年代。,梅耶尔,Y。,和Brunner D。(2021). Quantifying CO2排放的电厂有限公司2也没有2成像卫星。前面。远程Sens。2、689838。doi: 10.3389 / frsen.2021.689838
马丁,d . o . (1976)。评论浓度标准差随着距离的变化。j .空气Pollut。控制协会。26 (2),145 - 147。doi: 10.1080 / 00022470.1976.10470238
梅耶尔,Y。,Boesch, H., Bombelli, A., Brunner, D., Buchwitz, M., Ciais, P., et al. (2019).哥白尼有限公司2监测任务需求文档(MRD)。荷兰,欧洲:欧洲太空总署,地球科学部门和任务。
Molod,。,Takacs, L., Suarez, M., and Bacmeister, J. (2015). Development of the GEOS-5 atmospheric general circulation model: Evolution from MERRA to MERRA2.Geosci。模型开发。8,1339 - 1356。doi: 10.5194 / gmd - 8 - 1339 - 2015
摩尔,B。,Crowell, S. M. R., Rayner, P. J., Kumer, J., O’Dell, C. W., O’Brien, D., et al. (2018). The potential of the geostationary carbon cycle observatory (GeoCarb) to provide multi-scale constraints on the carbon cycle in the americas.前面。环绕。科学。6、109。doi: 10.3389 / fenvs.2018.00109
Nassar R。山,T。G., McLinden, C. A., Wunch, D., Jones, D. B. A., and Crisp, D. (2017). Quantifying CO2单个发电厂排放的空间。地球物理学。卷。44岁,10045 - 10053。gl074702 doi: 10.1002/2017
Nassar R。,Mastrogiacomo, J.-P., Bateman-Hemphill, W., McCracken, C., MacDonald, C. G., Hill, T., et al. (2021). Advances in quantifying power plant CO2排放与“轨道碳观测者2号”。远程参议员包围。264年,112579年。doi: 10.1016 / j.rse.2021.112579
Nassar R。,McLinden, C., Sioris, C. E., McElroy, C. T., Mendonca, J., Tamminen, J., et al. (2019). The atmospheric imaging mission for northern regions: AIM-north.可以。j .远程Sens。45 (3 - 4),423 - 442。doi: 10.1080 / 07038992.2019.1643707
O 'Dell c W。康纳,B。博世,H。,O’Brien, D., Frankenberg, C., Castano, R., et al. (2012). The ACOS CO<sub>2</sub> retrieval algorithm – Part 1: Description and validation against synthetic observations.大气压。量。技术。5,99 - 121。doi: 10.5194 / amt - 5 - 99 - 2012
帕卡拉。,Breidenich, C., Brewer, P. G., Fung, I., Gunson, M. R., Heddle, G., et al. (2010). “Verifying greenhouse gas emissions: Methods to support international climate agreements,” in委员会估计温室气体排放的方法(美国华盛顿,佤邦:国家研究委员会的报告,国家科学院出版社)。
Pinty B。,Janssens-Maenhout, G., Dowell, M., Zunker, H., Brunhes, T., Ciais, P., et al. (2017).一个操作人为有限公司2排放监测和验证的支持能力。基线要求,模型组件和功能架构。Tech.众议员布鲁塞尔:欧洲委员会联合研究中心。http://resolver.tudelft.nl/uuid: 832 e87d0 - 0 - ed8 - 44 - b2 - 8867 - 8714 - cebde4cb
路透社,M。,Buchwitz, M., Schneising, O., Krautwurst, S., O’Dell, C. W., Richter, A., et al. (2019). Towards monitoring localized CO2排放的空间:共存区域有限公司2也没有2由“轨道碳观测者2号”,增强观察,S5P卫星。大气压。化学。理论物理。19日,9371 - 9383。doi: 10.5194 / acp - 19 - 9371 - 2019
歌手,a . M。Branham, M。,Hutchins, M. G., Welker, J., Woodard, D. L., Badurek, C. A., et al. (2014). The role of CO2大点源排放的排放总量,责任和政策。环绕。科学。政策44岁,190 - 200。doi: 10.1016 / j.envsci.2014.08.001
Strandgren, J。Krutz D。,Wilzewski, J., Paproth, C., Sebastien, I., Gurney, K. R., et al. (2020). Towards spaceborne monitoring of localized CO2排放:乐器的概念,第一个性能评估,大气压。大气压。量。技术。13日,2887 - 2904。doi: 10.5194 / amt - 13 - 2887 - 2020
苏乔,H。,Kataoka, F., Kikuchi, N., Knuteson, R. O., Butz, A., Haun, M., et al. (2021). Thermal and near-infrared sensor for carbon observation Fourier transform spectrometer-2 (TANSO-FTS-2) on the Greenhouse gases Observing SATellite-2 (GOSAT-2) during its first year in orbit.大气压。量。技术。14日,2021 - 2039。doi: 10.5194 / amt - 14 - 2013 - 2021
泰勒,t·E。,Eldering, A., Merrelli, A., Kiel, M., Somkuti, P., Cheng, C., et al. (2020). OCO-3 early mission operations and initial (vEarly) XCO2而且SIF的检索。远程参议员包围。251年,112032年。doi: 10.1016 / j.rse.2020.112032
Wunch D。,Toon, G. C., Blavier, J.-F., Washenfelder, R. A., Notholt, J., Connor, B. J., et al. (2011). The total carbon column observing Network.菲尔。反式。r . Soc。一个369年,2087 - 2112。doi: 10.1098 / rsta.2010.0240
关键词:电厂、人为、有限公司2、巴黎协议,“轨道碳观测者2号”,OCO-3 CO2M
引用:Nassar R, Moeini O,极端j], O 'Dell CW,纳尔逊RR,基尔M, Chatterjee,老人和脆D(2022)跟踪有限公司2减排的空间:一个案例研究在欧洲最大的化石燃料发电厂。前面。远程Sens。3:1028240。doi: 10.3389 / frsen.2022.1028240
收到:2022年8月25日;接受:2022年10月05;
发表:2022年10月28日。
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