全球碳盤點衛(wèi)星來幫忙

1、第 頁全球碳盤點，衛(wèi)星來幫忙實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，科技是支撐。其中，衛(wèi)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里排放？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(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的先決條件。那么，當(dāng)前衛(wèi)星遙感技術(shù)對全球碳盤點任務(wù)具備哪些支撐能力？中國開展全球碳盤點衛(wèi)星遙感監(jiān)測的重點任務(wù)是什么？我們將如何建設(shè)中國全球碳盤點衛(wèi)星遙感體系？為什么要做碳盤點？將每一項減碳措施的效果明確化，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(huán)境問題，對全球可持續(xù)發(fā)展帶來嚴峻挑戰(zhàn)。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，世界范圍內(nèi)已建

2、設(shè)了節(jié)點遍布全球的溫室氣體地基觀測網(wǎng)絡(luò)，包括如世界氣象組織組建的全球大氣地面觀測網(wǎng)、美國、歐洲和加拿大等國家分別建立的溫室氣體觀測網(wǎng)絡(luò)以及我國由國家大氣本底站、國家氣候觀象臺和國家及省級應(yīng)用氣象觀測站等組成的中國溫室氣體觀測網(wǎng)等。通過這些觀測網(wǎng)絡(luò)，人們可以得到自然排放的溫室氣體狀況。但這對于“雙碳”目標(biāo)還遠遠不夠。確定溫室氣體減排的情況，以及確定各國承諾的減排指標(biāo)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？將每一項減碳措施的效果、剩余碳排放、如何實現(xiàn)碳中和等明確化，將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(wù)。在全

3、球碳計劃2021年報告中，人類活動、大氣、陸地與海洋生態(tài)系統(tǒng)的碳收支結(jié)果，包括五方面內(nèi)容，即大氣中CO2濃度及增量、化石燃料和工業(yè)排放、土地利用變化碳排放、陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯和海洋生態(tài)系統(tǒng)碳匯等。其中，人類活動碳排放是全球碳盤點的核心任務(wù)。為了探明人類工業(yè)活動產(chǎn)生的碳排放，還必須確定并區(qū)分陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)吸收和釋放了多少CO2，需要監(jiān)測火山爆發(fā)、森林砍伐、火災(zāi)等自然釋放和土地利用變化排放的CO2等。碳中和目標(biāo)以及全球碳盤點的現(xiàn)實壓力，就是利用各種先進技術(shù)和方法，來監(jiān)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。為了準確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

4、動權(quán)，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(jiān)測體系勢在必行。這其中，衛(wèi)星遙感技術(shù)能派上大用場。衛(wèi)星碳盤點有多“火”？國際衛(wèi)星對地觀測委員會明確提出，將在2025年形成星座業(yè)務(wù)化運行，支撐2028年全球碳盤點基于傳統(tǒng)地面站點的觀測數(shù)據(jù)，難以準確了解溫室氣體的源匯變化特征和機制。而衛(wèi)星遙感具有客觀、連續(xù)、穩(wěn)定、大范圍、重復(fù)觀測的優(yōu)點，也正在成為新一代、國際認可的全球碳盤點方法。國際衛(wèi)星對地觀測委員會明確提出，將在2025年形成星座業(yè)務(wù)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(fā)射了具備大氣CO2濃度觀測能力的衛(wèi)星。日本于2021年成功發(fā)

5、射GOSAT衛(wèi)星，這是第一顆專門用于大氣溫室氣體CO2和CH4探測的衛(wèi)星，至今運行良好，后續(xù)的GOSAT系列衛(wèi)星則致力于實現(xiàn)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(fā)布了美國空間優(yōu)先框架，明確美國將優(yōu)先支持應(yīng)對氣候變化行動的衛(wèi)星遙感計劃，通過政府、私營和慈善機構(gòu)之間的合作，利用地球觀測數(shù)據(jù)支持美國和國際社會應(yīng)對氣候危機。中國近年來在溫室氣體衛(wèi)星遙感探測方面也是突飛猛進。2021年12月，首顆碳衛(wèi)星發(fā)射，這是中國自主研制的全球大氣二氧化碳觀測實驗衛(wèi)星，其數(shù)據(jù)在全球大氣CO2濃度、葉綠素?zé)晒獗O(jiān)測等方面取得系列重要成果。2021年5月，高分五號衛(wèi)星

6、成功發(fā)射，搭載的溫室氣體監(jiān)測儀GMI的主要功能是定量監(jiān)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(wèi)星計劃。未來計劃發(fā)射的風(fēng)云三號08星上搭載的高光譜溫室氣體監(jiān)測儀，通過對近紅外、短波紅外譜段連續(xù)高精度、高光譜分辨率、高空間分辨率和高采樣率觀測，實現(xiàn)全球大氣溫室氣體的高精度定量反演。2022年4月發(fā)射的大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星是國際首顆搭載CO2探測激光雷達的衛(wèi)星。衛(wèi)星還要掌握哪些“本領(lǐng)”？不僅能“看”，還要能“算”當(dāng)前衛(wèi)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(wèi)星遙感系統(tǒng)而言是一項挑戰(zhàn)。利用衛(wèi)星開展生態(tài)系統(tǒng)

7、碳匯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、基于生態(tài)過程模型模擬的“自下而上”方法以及基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的機器學(xué)習(xí)模型方法。然而，各種方法的碳源匯估算均存在不確定性?？傮w來說，全球碳源匯的巨大不確定性既源于碳循環(huán)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(shù)據(jù)。由國際地圈-生物圈計劃、全球環(huán)境變化人文因素計劃和世界氣候研究計劃共同發(fā)起了全球碳計劃,其關(guān)鍵是準確量化全球碳循環(huán)格局和變率。我國于2021年啟動的全球變化研究國家重大科學(xué)研究計劃、2021年啟動的國家重點研發(fā)計劃“全球變化及應(yīng)對”專項中，摸清生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)均為核心任務(wù)之一。2021年立項的國家重點研

8、發(fā)計劃項目“全球生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)關(guān)鍵參數(shù)立體觀測與反演”，其核心任務(wù)是研制覆蓋全球、參數(shù)完備、時空分辨率精細、連續(xù)一致的碳循環(huán)關(guān)鍵參數(shù)產(chǎn)品，共包含24種全球碳循環(huán)關(guān)鍵參數(shù)的長時間序列空間觀測產(chǎn)品。這些豐富的碳循環(huán)關(guān)鍵參數(shù)產(chǎn)品，為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳源匯的動態(tài)精細評價提供了重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。除了提高觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量與數(shù)量，還需考慮如何充分利用大量多源的觀測資料，協(xié)同地面和遙感技術(shù)手段，降低模型不確定性，可以進一步提高模型估計陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳速率準確性。我們認為，全球碳同化系統(tǒng)是解決這一問題的有效途徑。聯(lián)合同化衛(wèi)星和地面大氣CO2濃度、站點通量數(shù)據(jù)、遙感地表參數(shù)等數(shù)據(jù)，同時優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)和人為源碳通量是全球碳同化系

9、統(tǒng)的發(fā)展趨勢。2021年，南京大學(xué)發(fā)展了全球碳同化系統(tǒng)，能更好地揭示不同地區(qū)陸地碳匯的時空分布和年際變化，該系統(tǒng)已經(jīng)具備了業(yè)務(wù)運行能力。由于人為源碳排放和陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量混合，如何利用碳同化系統(tǒng)優(yōu)化計算人為源碳排放，是科學(xué)家們力圖解決的重要問題，也是實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要技術(shù)需求。發(fā)展區(qū)域高分辨率碳同化系統(tǒng)同化大氣濃度觀測數(shù)據(jù)，是進行人為源碳排放優(yōu)化估算的有效手段。下一代碳衛(wèi)星有多“高大上”？中國的碳衛(wèi)星監(jiān)測解決方案正在部署中全球碳盤點不僅需要衛(wèi)星遙感提供高時空分辨率大氣CO2等觀測數(shù)據(jù)，更需要通過觀測系統(tǒng)與同化反演系統(tǒng)集成，提供高時空分辨率的大氣CO2的溯源解析數(shù)據(jù)，如人為碳排放、生態(tài)系統(tǒng)碳

10、源匯等。盡管衛(wèi)星探測能力得到了有效提高，但是任何單獨一顆衛(wèi)星都無法滿足CO2和CH4全球探測的需求。根據(jù)科學(xué)目標(biāo)將多顆衛(wèi)星組成一個虛擬的衛(wèi)星星座，開展多顆衛(wèi)星組網(wǎng)觀測是滿足快速增長的全球業(yè)務(wù)化觀測需求的有效途徑。同時，第二代碳衛(wèi)星的核心目標(biāo)是服務(wù)于全球碳盤點的清單校核，不僅要求衛(wèi)星載荷系統(tǒng)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(tǒng)，監(jiān)測碳通量，并區(qū)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(wèi)星在溫室氣體清單校核需求目標(biāo)、科學(xué)產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)以及衛(wèi)星組網(wǎng)觀測能力需求方面提出了明確的要求，包括監(jiān)測CO2、CH4、CO、NO2、SIF、氣溶膠和N2O七種要素，

11、并能達到較高精度；針對不同尺度設(shè)計了傳感器相應(yīng)的空間分辨率，在全球和熱點區(qū)域分別對應(yīng)2公里2公里，0.5公里0.5公里的空間分辨率，并且具有1天的時間分辨率，幅寬達1000公里，以滿足觀測需求。這對載荷研制提出了非?？量痰囊?，如何在工程技術(shù)上平衡光譜分辨率、信噪比、空間分辨率與幅寬的制約關(guān)系存在巨大挑戰(zhàn)。在碳衛(wèi)星觀測要素的遙感反演算法研究基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前載荷工程研制能力，初步確定了下一代碳衛(wèi)星載荷技術(shù)指標(biāo)，包括設(shè)計了NO2、O2A，弱CO2、強CO2、CH4五個吸收帶，波長范圍在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(wèi)星比第一顆碳衛(wèi)星有巨大的飛躍和進步

12、，但衛(wèi)星成像監(jiān)測也受到軌道、天氣等諸多因素的影響，無法實現(xiàn)連續(xù)動態(tài)觀測且分辨率不高，僅憑衛(wèi)星遙感難以取得滿意效果。因此，必須結(jié)合地基監(jiān)測、航空遙感等多源數(shù)據(jù)，才能實現(xiàn)點源、城市、國別尺度的溫室氣體排放的精確估算。目前，生態(tài)環(huán)境部、中國氣象局、中國科學(xué)院等機構(gòu)正在組織和實施大范圍地基溫室氣體觀測任務(wù)，已初步建成、并正在逐步完善國家溫室氣體觀測網(wǎng)絡(luò)，溫室氣體衛(wèi)星星座與地基網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同，為中國碳達峰、碳中和行動成效的科學(xué)評估與碳排放核算提供了重大機遇?？茖W(xué)家提出，為了實現(xiàn)面向碳盤點的衛(wèi)星監(jiān)測目標(biāo)，需要優(yōu)先部署如下7個方面任務(wù)：開展下一代碳衛(wèi)星研發(fā)與運行，服務(wù)于全球和重點區(qū)域碳監(jiān)測需求；針對中國下一代碳衛(wèi)星及載荷指標(biāo)特點，結(jié)合國內(nèi)外多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)，開展高精度碳監(jiān)測衛(wèi)星遙感科學(xué)關(guān)鍵技術(shù)研究和共享產(chǎn)品研發(fā)；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(wèi)星校驗方法研究；面向重要點源目標(biāo)碳排放衛(wèi)星監(jiān)測的需求，推進重要點源碳排放衛(wèi)星監(jiān)測技術(shù)；面向全球碳盤點和國家碳中和需求，發(fā)展高時空分辨率、高精度、長時間序列的全球生態(tài)系統(tǒng)碳通量監(jiān)測技術(shù)；面向全球碳盤點和國家碳中和需求，發(fā)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(jiān)測技術(shù)；圍繞全球碳盤點和國家碳