礦物燃料發(fā)電廠是引起溫室效應(yīng)的最大氣體排放源之一。

18000 座電廠溫室氣體排放量占全球總排放量的 30%，其中包括了每年大約 150 億公噸的二氧化碳，燃燒礦物燃料產(chǎn)生的污染物也嚴(yán)重降低了空氣質(zhì)量和公共衛(wèi)生，因此會(huì)導(dǎo)致心臟病和呼吸系統(tǒng)疾病以及肺癌，這將接近全世界十分之一的人口死亡數(shù)量。

為了避免空氣污染和氣候變化的帶來(lái)的嚴(yán)重影響，人們需要了解排放源。現(xiàn)有的技術(shù)可以檢測(cè)大氣中的 CO2 和其他氣體含量，但其顆粒度還不夠精確，無(wú)法確定誰(shuí)排放了多少碳。

上個(gè)月，一項(xiàng)名為 Climate TRACE 的新計(jì)劃啟動(dòng)了，旨在準(zhǔn)確跟蹤的人為 CO2 排放源頭，當(dāng)然無(wú)論該源頭在世界上的任何地方。由 9 個(gè)組織和前美國(guó)副總統(tǒng)阿爾 · 戈?duì)柦M成的聯(lián)盟已經(jīng)開(kāi)始在七個(gè)部門（包括電力，交通運(yùn)輸和森林火災(zāi)）中追蹤此類排放。

本文作者是機(jī)器學(xué)習(xí)研究員，與非營(yíng)利組織 WattTime，Carbon Tracker 和世界資源研究所一起正在研究 Climate TRACE 的發(fā)電廠項(xiàng)目，他們主要使用了現(xiàn)有的衛(wèi)星圖像和人工智能技術(shù)，來(lái)估算世界上每一個(gè)化石燃料發(fā)電廠的排放量。

一起來(lái)看看吧。

美國(guó)是公開(kāi)發(fā)布有關(guān)單個(gè)發(fā)電廠排放量的高分辨率數(shù)據(jù)的幾個(gè)國(guó)家之一。美國(guó)的每個(gè)工廠都有現(xiàn)場(chǎng)排放監(jiān)測(cè)設(shè)備，并向環(huán)境保護(hù)局報(bào)告數(shù)據(jù)。但是安裝和維護(hù)這些設(shè)備的成本對(duì)許多其他國(guó)家而言簡(jiǎn)直高的離譜。因此其他國(guó)家報(bào)告的年度排放總量可能只是粗略估算，而不是實(shí)際測(cè)量值。這些估算值缺乏核實(shí)，可能會(huì)低估其排放量。

溫室氣體排放量之所以難以評(píng)估。一方面原因是，這些氣體并非全部來(lái)源于人造，例如從海洋，火山，分解以及土壤，植物和動(dòng)物的呼吸中釋放出的 CO 2 和甲烷也將溫室氣體排放到大氣中。另一方面，則是人類間接產(chǎn)成的，例如水泥生產(chǎn)和肥料。即使你知道排放源，由于排放量波動(dòng)，估算量也可能很困難。而燃燒礦物燃料的發(fā)電廠會(huì)根據(jù)當(dāng)?shù)匦枨蠛碗妰r(jià)等因素調(diào)整發(fā)電量。

在夏威夷的莫納羅亞（Mauna Loa）天文臺(tái)和美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的 OCO-2 等衛(wèi)星，對(duì) CO 2 的濃度進(jìn)行了局部測(cè)量。衛(wèi)星不是直接測(cè)量濃度，而是根據(jù)從地球反射的陽(yáng)光中有多少被空氣中的二氧化碳分子吸收來(lái)估算濃度。歐洲航天局的 Sentinel-5P 使用類似的技術(shù)來(lái)測(cè)量其他溫室氣體。光譜測(cè)量非常適合創(chuàng)建大氣 CO2 濃度的區(qū)域圖。在大流行期間，這樣的區(qū)域估計(jì)尤其顯著，因?yàn)榫蛹叶▎螌?dǎo)致污染物減少據(jù)報(bào)道，在城市周圍，主要是由于交通運(yùn)輸量的減少。

但是這些測(cè)量的分辨率太低。例如，OCO-2 的每次測(cè)量都代表地面上 1.1 平方英里（2.9 平方公里）的區(qū)域，因此它無(wú)法揭示單個(gè)發(fā)電廠的排放量（更不用說(shuō)自然發(fā)電廠的 CO 2 了）。該地區(qū)的資源）。OCO-2 每天提供每個(gè)位置的觀測(cè)結(jié)果，但由于云，風(fēng)和其他大氣變化而產(chǎn)生大量噪聲。為了獲得可靠的信號(hào)并抑制嘈雜的數(shù)據(jù)點(diǎn)，應(yīng)在一個(gè)月內(nèi)對(duì)同一站點(diǎn)的多次觀測(cè)求平均值。

要估算源頭的排放量，我們既需要足夠高的空間分辨率以查看工廠運(yùn)行情況，又需要不斷觀察這些測(cè)量值隨時(shí)間的變化情況。

來(lái)自歐洲航天局哥白尼前哨衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的圖像顯示了該發(fā)電廠運(yùn)行時(shí)的煙霧和水蒸氣流。

我們很幸運(yùn)，數(shù)十個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和數(shù)百個(gè)衛(wèi)星正在實(shí)時(shí)捕獲我們所需的那種高分辨率圖像。大多數(shù)的地球觀測(cè)衛(wèi)星都在可見(jiàn)光譜中進(jìn)行觀測(cè)。此外，我們還使用熱紅外來(lái)檢測(cè)熱信號(hào)。

讓分析人員查看來(lái)自多顆衛(wèi)星的圖像并將它們與其他數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉引用非常耗時(shí)，這種方式不僅非常昂貴且容易出錯(cuò)。隨著我們合并來(lái)自其他衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，圖像的數(shù)量將會(huì)增加。一些觀測(cè)包含多個(gè)波長(zhǎng)的信息，這意味著需要分析甚至更多的數(shù)據(jù)，并且需要經(jīng)過(guò)微調(diào)，眼睛才能準(zhǔn)確地識(shí)別。目前沒(méi)有任何一個(gè)團(tuán)隊(duì)能在一定的時(shí)間內(nèi)處理那么多數(shù)據(jù)。

借助 AI，游戲準(zhǔn)則發(fā)生了變化。人類已經(jīng)將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于自動(dòng)駕駛汽車的語(yǔ)音識(shí)別和避障，我們通過(guò)將相同的深度學(xué)習(xí)方法應(yīng)用于氣體檢測(cè)，從而可以更快地預(yù)測(cè)排放，并增強(qiáng)從多種波長(zhǎng)的衛(wèi)星圖像提取模式的能力，該算法的準(zhǔn)確度取決于衛(wèi)星的類型和電廠的技術(shù)。

我們首先將歷史衛(wèi)星圖像與工廠報(bào)告的發(fā)電量進(jìn)行匹配，以創(chuàng)建可以學(xué)習(xí)它們之間關(guān)系的機(jī)器學(xué)習(xí)模型。只要給定一個(gè)新的工廠圖像，該模型就可以預(yù)測(cè)工廠的發(fā)電量和排放量。

在使用已知發(fā)電能力的電廠對(duì)算法模型進(jìn)行訓(xùn)練后，我們便可以將模型應(yīng)用于全球任何發(fā)電廠。我們的算法為各種類型的發(fā)電廠創(chuàng)建了預(yù)測(cè)模型，并且可以根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果估算一段時(shí)間內(nèi)的排放。

在典型的礦物燃料發(fā)電廠中，溫室氣體通過(guò)煙囪排出，生成了模型可以發(fā)現(xiàn)的煙霧。效率更高的植物或采取二次收集措施以減少排放的植物可能會(huì)很難看到羽狀流。在這種情況下，當(dāng)發(fā)電廠的特性已知時(shí)，我們的模型會(huì)尋找其他視覺(jué)和熱指標(biāo)特征。

模型尋找的另一個(gè)特征是冷卻。礦物燃料發(fā)電廠燃燒燃料使水沸騰，產(chǎn)生水蒸氣，使渦輪旋轉(zhuǎn)發(fā)電，然后必須將蒸汽冷卻回水中，以便可以重復(fù)使用以產(chǎn)生更多的電能。根據(jù)冷卻技術(shù)的類型，可能會(huì)從冷卻塔中產(chǎn)生大量的水蒸氣羽流，或?qū)崃颗欧艦楦浇臒崴尫懦鰺崃浚覀儽闶褂每梢?jiàn)光成像和熱成像來(lái)量化這些特征。

到目前為止，我們已經(jīng)使用來(lái)自美國(guó)和歐洲的發(fā)電數(shù)據(jù)創(chuàng)建并驗(yàn)證了一套燃煤電廠的初始模型。一支由科學(xué)家和工程師組成的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)，將繼續(xù)收集和分析其他國(guó)家的真實(shí)數(shù)據(jù)。當(dāng)我們開(kāi)始在全球范圍內(nèi)測(cè)試我們的模型時(shí)，我們還將根據(jù)報(bào)告的年度國(guó)家總數(shù)和燃油消耗數(shù)據(jù)對(duì)它們進(jìn)行驗(yàn)證。我們從 CO2 排放開(kāi)始，但希望擴(kuò)展到其他溫室氣體。

我們的目標(biāo)是覆蓋化石燃料發(fā)電廠的全球排放量，也就是說(shuō)，對(duì)于任何國(guó)家的任何化石燃料發(fā)電廠，我們都能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其溫室氣體排放量。

接下來(lái)是什么？我們將公開(kāi)排放數(shù)據(jù)?？稍偕茉撮_(kāi)發(fā)商將能夠使用它來(lái)確定新的風(fēng)電場(chǎng)或太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)將產(chǎn)生最大影響的位置。監(jiān)管機(jī)構(gòu)將能夠制定和執(zhí)行新的環(huán)境政策。公民個(gè)人可以看到他們當(dāng)?shù)氐陌l(fā)電廠對(duì)氣候變化的貢獻(xiàn)。它甚至可能有助于追蹤的進(jìn)展，該協(xié)定將于 2021 年重新談判。