美国高分辨率化石燃料二氧化碳排放数据集Vulcan v4.0（2010-2022）的构建与验证

《Scientific Data》：Vulcan version 4.0 high-resolution annual carbon dioxide emissions in the U.S. for the 2010–2022 time period

本刊推荐：为应对全球气候变化及实现精准减排政策，研究人员开展了美国高分辨率化石燃料二氧化碳（FFCO2）排放研究，构建了Vulcan版本4.0数据集。该数据集覆盖2010–2022年，空间分辨率达1?km×1?km，涵盖电力、工业、交通等十大部门，并整合多源联邦与地方数据。研究通过算法优化与时空降尺度处理，显著提升了排放估算的准确性与时效性，为碳循环研究、气候模拟及地方减排决策提供了关键数据支撑，有力推动了温室气体监测与管理的科学化进程。

　　

在全球气候变化日益严峻的背景下，准确量化人为活动产生的二氧化碳（CO₂）排放成为科学界与政策制定者关注的焦点。化石燃料燃烧所释放的CO₂（FFCO₂）是大气中碳净通量的主要来源，也是推动全球气温上升的关键因素。尽管全球和国家尺度的排放清单已较为成熟，但在州、市乃至街区等更精细的空间尺度上，缺乏高分辨率、高时效的排放数据，限制了针对性减排政策的制定与评估。为填补这一空白，Kevin?R.?Gurney团队开发了Vulcan项目，旨在提供美国全境高时空分辨率的FFCO₂排放图谱。最新发布的Vulcan?v4.0不仅将数据更新至2022年，更在算法、输入数据及空间分辨率上实现多项重要改进，为多学科研究与实践提供了更强大的数据基础。

研究团队综合运用多源数据与建模技术，构建了2010–2022年美国年度FFCO₂排放数据集。关键技术方法包括：基于美国国家排放清单（NEI）、清洁空气市场计划数据（CAMPD）及能源信息管理局（EIA）等多层级数据源，结合源分类代码（SCC）匹配相应的一氧化碳（CO）与CO₂排放因子（EF），将CO排放量转换为FFCO₂排放量；利用人口普查区块、交通流量（AADT）及建筑能耗强度（EUI）等空间代理变量，将县级排放降尺度至1?km网格；并通过状态能源数据系统（SEDS）进行时间序列平滑与多年度标定，提升数据一致性。此外，研究引入不确定性传递方法，对排放量、排放因子及时空降尺度过程进行误差量化。

数据概况

Vulcan?v4.0覆盖美国本土49个州及哥伦比亚特区（夏威夷可非网格形式提供），空间分辨率为1?km×1?km，每年输出十大部门的FFCO₂排放栅格数据（单位：吨碳/网格）。2022年美国总排放空间分布如图1所示，高值区集中在中东部工业带、加州及东北部城市群，阿拉斯加排放相对稀疏但空间异质性显著。

排放时间动态

2010–2022年美国FFCO₂排放总体呈下降趋势（图2），Vulcan?v4.0与美国环保署（EPA）国家清单在年际变化上高度一致（R2?>?0.99），但因系统边界定义差异存在小幅偏移。分部门来看（图3），电力部门减排幅度最大，工业与交通部门排放相对稳定，住宅与商业部门略有波动。

空间变化特征

通过对比2022年与2010年的网格级排放差异（图4），研究发现美国中部及西部部分地区排放显著降低，而东南部及部分城市周边因经济发展与人口增长呈现排放增加趋势。这一空间分异规律为识别减排重点区域提供了直观依据。

部门排放结构

Vulcan?v4.0将排放源划分为电力生产、工业、商业、住宅、道路运输、非道路机械、航空、铁路、商业船舶及水泥生产等十大类别。电力部门以点源为主，依赖CAMPD与EIA?923数据；道路交通排放基于MOVES/EMFAC模型并结合HPMS/OSM路网进行空间分配；建筑部门（住宅、商业）则通过美国社区调查（ACS）与HAZUS建筑存量数据，结合RECS/CBECS/MECS能耗强度调查，将排放降尺度至人口普查区块级别。

不确定性评估

研究采用与Vulcan?v3.0相同的不确定性传递框架，对CO报告值、排放因子及降尺度过程分别赋予不确定性区间（如非点源CO报告值不确定性为±12.8%，点源为±7.8%），并沿数据处理链进行误差传播。结果表明，电力部门因直接监测比例高，不确定性较低（±13%），而道路交通（±14.2%）及非道路机械（±3.8%）等部门因模型与燃料参数差异存在不同幅度误差。

数据验证

尽管无法在1?km尺度直接验证，团队通过两种途径评估数据质量：一是与基于大气1?CO₂反演的FFCO₂估算对比，Vulcan?v4.0在2010年与独立观测结果差异仅3.3%；二是与EPA州级清单比较（图5），各 sector（电力、工业、商业、住宅、交通）R2均高于0.97，斜率接近1，显示良好一致性。国家总量对比（图6）进一步证实Vulcan?v4.0能可靠捕捉排放年际变化，为气候模型与政策评估提供了可靠输入。

Vulcan?v4.0作为目前空间分辨率最高、时间跨度最新的美国FFCO₂排放数据集，不仅更新了至2022年的排放信息，更通过多源数据融合、时空降尺度技术与不确定性量化，显著提升了数据的科学价值与实用价值。该数据集已被广泛应用于碳循环研究、城市碳排放诊断、气候政策模拟及社会经济学分析等领域。其开源发布（Zenodo平台）遵循CC?BY?NC?ND许可，为全球研究者提供了透明、可重复的数据基础。未来，随着遥感监测与自下而上排放清单的进一步融合，Vulcan系列数据有望在支撑《巴黎协定》温控目标、实现精准减排方面发挥更大作用。