光明圖片/視覺中國

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實現“雙碳”目标，科技是支撐。其中，衛星遙感正在成為國際認可的新一代全球碳盤點方法——碳從哪裡排放？減了多少碳？還有多少排放需要中和……精準的全球碳盤點是實現“雙碳”目标的先決條件。那麼，當前衛星遙感技術對全球碳盤點任務具備哪些支撐能力？中國開展全球碳盤點衛星遙感監測的重點任務是什麼？我們将如何建設中國全球碳盤點衛星遙感體系？

為什麼要做碳盤點？

将每一項減碳措施的效果明确化，把每一項減排措施的貢獻算出來

以全球變暖為主要特征的氣候變化已成為全球性環境問題，對全球可持續發展帶來嚴峻挑戰。目前，國際社會已逐步達成“溫室氣體減排是抑制全球增溫最有效途徑”這一共識。

目前，世界範圍内已建設了節點遍布全球的溫室氣體地基觀測網絡，包括如世界氣象組織組建的全球大氣地面觀測網（GAW）、美國、歐洲和加拿大等國家分别建立的溫室氣體觀測網絡以及我國由國家大氣本底站、國家氣候觀象台和國家及省級應用氣象觀測站等組成的中國溫室氣體觀測網等。通過這些觀測網絡，人們可以得到自然排放的溫室氣體狀況。

但這對于“雙碳”目标還遠遠不夠。确定溫室氣體減排的情況，以及确定各國承諾的減排指标是否達到并不容易。有幾個問題亟待弄清：大氣中溫室氣體的總量是多少？屬于人為排放的有多少？各個國家的排放量是多少？将每一項減碳措施的效果、剩餘碳排放、如何實現碳中和等明确化，将每一項減排貢獻真實透明地測算出來，就是碳盤點的具體任務。

在全球碳計劃2020年報告中，人類活動、大氣、陸地與海洋生态系統的碳收支結果，包括五方面内容，即大氣中CO2濃度及增量、化石燃料和工業排放、土地利用變化碳排放、陸地生态系統碳彙和海洋生态系統碳彙等。

其中，人類活動碳排放是全球碳盤點的核心任務。為了探明人類工業活動産生的碳排放，還必須确定并區分陸地和海洋生态系統吸收和釋放了多少CO2，需要監測火山爆發、森林砍伐、火災等自然釋放和土地利用變化排放的CO2等。碳中和目标以及全球碳盤點的現實壓力，就是利用各種先進技術和方法，來監測大氣CO2濃度的時空變化及其來源，高分辨、高精度估算全球碳通量。

為了準确評估世界各國的溫室氣體減排情況，提高我國碳排放量評估的主動權，維護我國在全球碳盤點中的核心利益，建立自主可控的全球溫室氣體監測體系勢在必行。

這其中，衛星遙感技術能派上大用場。

衛星碳盤點有多“火”？

國際衛星對地觀測委員會明确提出，将在2025年形成星座業務化運行，支撐2028年全球碳盤點

基于傳統地面站點的觀測數據，難以準确了解溫室氣體的源彙變化特征和機制。而衛星遙感具有客觀、連續、穩定、大範圍、重複觀測的優點，也正在成為新一代、國際認可的全球碳盤點方法。國際衛星對地觀測委員會明确提出，将在2025年形成星座業務化運行，支撐2028年全球碳盤點。

迄今，國際上歐洲、日本、美國、加拿大和中國相繼發射了具備大氣CO2濃度觀測能力的衛星。日本于2009年成功發射GOSAT衛星，這是第一顆專門用于大氣溫室氣體CO2和CH4探測的衛星，至今運行良好，後續的GOSAT系列衛星則緻力于實現更高精度、更強空間覆蓋能力。美國在溫室氣體遙感探測方面走在國際前列——2021年12月，美國白宮發布了《美國空間優先框架》，明确美國将優先支持應對氣候變化行動的衛星遙感計劃，通過政府、私營和慈善機構之間的合作，利用地球觀測數據支持美國和國際社會應對氣候危機。

中國近年來在溫室氣體衛星遙感探測方面也是突飛猛進。2016年12月，首顆碳衛星發射，這是中國自主研制的全球大氣二氧化碳觀測實驗衛星，其數據在全球大氣CO2濃度、葉綠素熒光監測等方面取得系列重要成果。2018年5月，高分五号衛星成功發射，搭載的溫室氣體監測儀GMI的主要功能是定量監測CO2和CH4的全球濃度分布變化。

同時，我國還在不斷醞釀新的衛星計劃。未來計劃發射的風雲三号08星上搭載的高光譜溫室氣體監測儀，通過對近紅外、短波紅外譜段連續高精度、高光譜分辨率、高空間分辨率和高采樣率觀測，實現全球大氣溫室氣體的高精度定量反演。2022年4月發射的大氣環境監測衛星是國際首顆搭載CO2探測激光雷達的衛星。

衛星還要掌握哪些“本領”？

不僅能“看”，還要能“算”

當前衛星遙感可以探測大氣CO2濃度，但是對于決策部門而言，更想了解大氣CO2的來源并提取出其中來自人類活動排放的部分。這對衛星遙感系統而言是一項挑戰。

利用衛星開展生态系統碳彙估算的方法主要分為三類：基于溫室氣體濃度探測的同化反演的“自上而下”方法、基于生态過程模型模拟的“自下而上”方法以及基于數據驅動的機器學習模型方法。然而，各種方法的碳源彙估算均存在不确定性。

總體來說，全球碳源彙的巨大不确定性既源于碳循環模式的理論和認知缺陷，又包括缺乏精細時空分辨率的觀測數據。由國際地圈-生物圈計劃、全球環境變化人文因素計劃和世界氣候研究計劃共同發起了全球碳計劃,其關鍵是準确量化全球碳循環格局和變率。我國于2010年啟動的全球變化研究國家重大科學研究計劃、2016年啟動的國家重點研發計劃“全球變化及應對”專項中，摸清生态系統碳循環均為核心任務之一。2017年立項的國家重點研發計劃項目“全球生态系統碳循環關鍵參數立體觀測與反演”，其核心任務是研制覆蓋全球、參數完備、時空分辨率精細、連續一緻的碳循環關鍵參數産品，共包含24種全球碳循環關鍵參數的長時間序列空間觀測産品。這些豐富的碳循環關鍵參數産品，為陸地生态系統碳源彙的動态精細評價提供了重要基礎數據。

除了提高觀測數據質量與數量，還需考慮如何充分利用大量多源的觀測資料，協同地面和遙感技術手段，降低模型不确定性，可以進一步提高模型估計陸地生态系統固碳速率準确性。

我們認為，全球碳同化系統是解決這一問題的有效途徑。聯合同化衛星和地面大氣CO2濃度、站點通量數據、遙感地表參數等數據，同時優化生态系統和人為源碳通量是全球碳同化系統的發展趨勢。2016年，南京大學發展了全球碳同化系統，能更好地揭示不同地區陸地碳彙的時空分布和年際變化，該系統已經具備了業務運行能力。

由于人為源碳排放和陸地生态系統碳通量混合，如何利用碳同化系統優化計算人為源碳排放，是科學家們力圖解決的重要問題，也是實現碳中和目标的重要技術需求。發展區域高分辨率碳同化系統同化大氣濃度觀測數據，是進行人為源碳排放優化估算的有效手段。

下一代碳衛星有多“高大上”？

中國的碳衛星監測解決方案正在部署中

全球碳盤點不僅需要衛星遙感提供高時空分辨率大氣CO2等觀測數據，更需要通過觀測系統與同化反演系統集成，提供高時空分辨率的大氣CO2的溯源解析數據，如人為碳排放、生态系統碳源彙等。

盡管衛星探測能力得到了有效提高，但是任何單獨一顆衛星都無法滿足CO2和CH4全球探測的需求。根據科學目标将多顆衛星組成一個虛拟的衛星星座，開展多顆衛星組網觀測是滿足快速增長的全球業務化觀測需求的有效途徑。

同時，第二代碳衛星的核心目标是服務于全球碳盤點的清單校核，不僅要求衛星載荷系統提供寬幅、高分辨率、高精度的觀測能力，還需要通過同化反演系統，監測碳通量，并區分和量化人為碳排放。

為了滿足全球溫室氣體清單校核需求，對中國下一代碳衛星在溫室氣體清單校核需求目标、科學産品技術指标以及衛星組網觀測能力需求方面提出了明确的要求，包括監測CO2、CH4、CO、NO2、SIF、氣溶膠和N2O七種要素，并能達到較高精度；針對不同尺度設計了傳感器相應的空間分辨率，在全球和熱點區域分别對應2公裡×2公裡，0.5公裡×0.5公裡的空間分辨率，并且具有1天的時間分辨率，幅寬達1000公裡，以滿足觀測需求。

這對載荷研制提出了非常苛刻的要求，如何在工程技術上平衡光譜分辨率、信噪比、空間分辨率與幅寬的制約關系存在巨大挑戰。在碳衛星觀測要素的遙感反演算法研究基礎上，結合當前載荷工程研制能力，初步确定了下一代碳衛星載荷技術指标，包括設計了NO2、O2A，弱CO2、強CO2、CH4五個吸收帶，波長範圍在0.4納米至2.385納米之間，光譜分辨率最高能達到0.12納米。

盡管下一代碳衛星比第一顆碳衛星有巨大的飛躍和進步，但衛星成像監測也受到軌道、天氣等諸多因素的影響，無法實現連續動态觀測且分辨率不高，僅憑衛星遙感難以取得滿意效果。因此，必須結合地基監測、航空遙感等多源數據，才能實現點源、城市、國别尺度的溫室氣體排放的精确估算。目前，生态環境部、中國氣象局、中國科學院等機構正在組織和實施大範圍地基溫室氣體觀測任務，已初步建成、并正在逐步完善國家溫室氣體觀測網絡，溫室氣體衛星星座與地基網絡的協同，為中國碳達峰、碳中和行動成效的科學評估與碳排放核算提供了重大機遇。

科學家提出，為了實現面向碳盤點的衛星監測目标，需要優先部署如下7個方面任務：開展下一代碳衛星研發與運行，服務于全球和重點區域碳監測需求；針對中國下一代碳衛星及載荷指标特點，結合國内外多源衛星數據，開展高精度碳監測衛星遙感科學關鍵技術研究和共享産品研發；面向全球碳盤點的需求，開展高時空分辨率、高精度、高時效性的碳排放清單的衛星校驗方法研究；面向重要點源目标碳排放衛星監測的需求，推進重要點源碳排放衛星監測技術；面向全球碳盤點和國家碳中和需求，發展高時空分辨率、高精度、長時間序列的全球生态系統碳通量監測技術；面向全球碳盤點和國家碳中和需求，發展高時空分辨率、高精度、長時間序列的全球土地利用碳排放監測技術；圍繞全球碳盤點和國家碳中和戰略對空間信息技術的需求，推進碳衛星科學計劃項目集成與國際合作。

面向全球碳盤點和中國雙碳目标需求，需要利用衛星遙感、大數據、碳同化等先進技術和方法，實現高時空分辨率、高精度、高時頻的大氣溫室氣體濃度監測，并提供高精度、高分辨率的人為源碳排放和生态系統碳源彙科學數據，闡明大氣溫室氣體的來源、并有效區分與量化人為源和自然源的通量貢獻，建立全球、國家和熱點區域的溫室氣體排放的監測和驗證支撐技術體系。

（作者：劉良雲，系中國科學院空天信息創新研究院研究員）