GB/T 42419-2023 地表碳核查技術(shù)規(guī)程（正式版）

ICS07.040地表碳核查技術(shù)規(guī)程國家市場監(jiān)督管理總局國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)GB/T42419—2023 I Ⅱ 2 25.1總體流程 25.2核查對(duì)象 25.3核查成果 6陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量觀測與模擬 36.1地面數(shù)據(jù)觀測與處理 36.2遙感數(shù)據(jù)觀測與處理 36.3陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量模擬 47大氣XCO?數(shù)據(jù)觀測與模擬 57.1地面觀測 57.2遙感數(shù)據(jù)觀測與處理 57.3大氣XCO?模擬 6附錄A(資料性)HASM等方法輸入數(shù)據(jù)格式示例 8附錄B(資料性)碳衛(wèi)星屬性信息提取 附錄C(資料性)大氣化學(xué)傳輸模型與壓強(qiáng)權(quán)重函數(shù) IGB/T42419—2023本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》起草。本文件由中華人民共和國自然資源部提出。本文件由全國地理信息標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC230)和全國遙感技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC327)共同歸口。ⅡGB/T42419—2023本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)提請(qǐng)注意，聲明符合本文件時(shí)，可能涉及到6.3和7.3與基于曲面論和優(yōu)化控制該專利持有人已向本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)承諾，他愿意同任何申請(qǐng)人在合理且無歧視的條款和條件下，就專利授權(quán)許可進(jìn)行談判。該專利持有人的聲明已在本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)備案。相關(guān)信息可以通過請(qǐng)注意除上述專利外，本文件的某些內(nèi)容仍可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別專利的1GB/T42419—2023地表碳核查技術(shù)規(guī)程適用于土壤、海洋及人工生態(tài)系統(tǒng)等方面的碳核查。基于遙感方法估算陸地生態(tài)系統(tǒng)生物量、碳XCO?等可參考使用。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文本文件。GB/T17798地理空間數(shù)據(jù)交換格式GB/T19710地理信息元數(shù)據(jù)GB/T19710.2地理信息元數(shù)據(jù)第2部分：影像和格網(wǎng)數(shù)據(jù)擴(kuò)展GB/T30115衛(wèi)星遙感影像植被指數(shù)產(chǎn)品規(guī)范LY/T1752荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位觀測技術(shù)規(guī)范LY/T1952森林生態(tài)系統(tǒng)長期定位觀測方法LY/T2898濕地生態(tài)系統(tǒng)定位觀測技術(shù)規(guī)范NY/T1233草原資源與生態(tài)監(jiān)測技術(shù)規(guī)程QX/T159地基傅立葉變換高光譜儀大氣光譜觀測規(guī)范3術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1地表碳核查earth'ssurfacecarbonverification基于陸地生態(tài)系統(tǒng)和地面XCO?數(shù)據(jù)觀測規(guī)范以及遙感因子等數(shù)據(jù)處理規(guī)范，采用相應(yīng)模型系3.2不同生態(tài)系統(tǒng)中實(shí)存植物體所含有的碳元素總量。3.3大氣二氧化碳柱濃度column-averageddry-air從地表至大氣頂部的二氧化碳在干潔空氣中平均柱濃度。3.4對(duì)區(qū)域或其生態(tài)環(huán)境要素的格網(wǎng)化表達(dá)。2高精度曲面建模highaccuracysurfacemodeling以全局性近似數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)場、以局地高精度數(shù)據(jù)為優(yōu)化控制條件，構(gòu)建地球表層系統(tǒng)及其環(huán)境要素曲面的一種方法。下列縮略語適用于本文件。CGCS2000:2000國家大地坐標(biāo)系(ChinaGeodeticCoordinateSystem2000)HASM:高精度曲面建模(HighAccuracySurfaceModeling)TCCON:總碳柱觀測網(wǎng)(TotalCarbonColumnObservingNetwork)XCO?:大氣二氧化碳柱濃度(Column-averageddry-airmolefractionsofcarbondioxide)5總體流程和要求地表碳核查總體流程圖如圖1所示。人氣碳核查2遙感數(shù)據(jù)規(guī)測與2遙感數(shù)據(jù)觀測與處理(7.2)數(shù)據(jù)處理(7.2.2)森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量草地生態(tài)系統(tǒng)態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量光漠生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量3陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量模擬(6.3)碳儲(chǔ)量核查成果大氣XCO?圖1地表碳核查總體流程5.2.1地表碳核查包括陸地生態(tài)系統(tǒng)碳核查和大氣碳核查兩大部分。通過地面觀測、遙感觀測和模型模擬等方法來實(shí)現(xiàn)。3GB/T42419—20235.2.2地面觀測數(shù)據(jù)采集包括陸地生態(tài)系統(tǒng)地面數(shù)據(jù)獲取、地面XCO?數(shù)據(jù)獲取。遙感觀測數(shù)據(jù)獲取數(shù)據(jù)集包括碳儲(chǔ)量和大氣XCO?核查結(jié)果。數(shù)據(jù)集以空間分布圖、數(shù)據(jù)表格等形式表達(dá)。6陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量觀測與模擬森林生態(tài)系統(tǒng)植被生物量及碳儲(chǔ)量觀測方法按照LY/T1952執(zhí)行。草地生態(tài)系統(tǒng)植物生物量觀測方法按照NY/T1233執(zhí)行，基于生物量計(jì)算碳儲(chǔ)量方法按照LY/T1952執(zhí)行。濕地生態(tài)系統(tǒng)植物生物量觀測方法按照LY/T2898執(zhí)行，基于生物量計(jì)算碳儲(chǔ)量方法按照LY/T1952執(zhí)行?；哪鷳B(tài)系統(tǒng)植物生物量觀測方法按照LY/T1752執(zhí)行，基于生物量計(jì)算碳儲(chǔ)量方法按照宜采用1985國家高程基準(zhǔn)。4GB/T42419—2023數(shù)據(jù)的交換格式符合GB/T17798中的規(guī)定。檢查數(shù)據(jù)格式并記錄檢查結(jié)果。衛(wèi)星數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)符合GB/T19710和GB/T19710.2中的規(guī)定。評(píng)價(jià)元數(shù)據(jù)質(zhì)量并記錄評(píng)價(jià)結(jié)果。遙感數(shù)據(jù)處理以及遙感信息提取流程按照NY/T1233執(zhí)行。其中，植被指數(shù)的計(jì)算流程按照GB/T30115執(zhí)行。對(duì)遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量、植被指數(shù)質(zhì)量以及合理性進(jìn)行檢查并記錄檢查結(jié)果。陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量模擬流程圖如圖2所示。精度驗(yàn)證結(jié)是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量優(yōu)化控制條件遙感因子驅(qū)動(dòng)場圖2陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量模擬流程5驅(qū)動(dòng)場是利用碳儲(chǔ)量空間分布模型，為HASM等方法提供碳儲(chǔ)量空間分布趨勢面。碳儲(chǔ)量空間分布模型(方法)一般有地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、遙感信息模型和植被動(dòng)態(tài)模型等，應(yīng)根據(jù)碳儲(chǔ)量實(shí)測數(shù)據(jù)、生態(tài)注2:遙感因子包含波段反射率、植被指數(shù)等。根據(jù)陸地各生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量觀測方法，計(jì)算與驅(qū)動(dòng)場中碳儲(chǔ)量空間分布趨勢面尺度相對(duì)應(yīng)的單位面積碳儲(chǔ)量，以優(yōu)化控制條件的形式輸入HASM等方法，優(yōu)化碳儲(chǔ)量空間分布格局。碳儲(chǔ)量模擬操作流程如下：a)首先對(duì)碳核查區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格剖分；網(wǎng)格分辨率一般可以自主設(shè)置，但網(wǎng)格剖分以后，需保證核查區(qū)的像元總數(shù)是抽樣數(shù)目的100倍～10000倍；b)將采樣數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化為符合采樣文件格式的文本數(shù)據(jù)(見附錄A);c)將上述處理得到的驅(qū)動(dòng)場及優(yōu)化控制條件，作為HASM等方法的輸入文件；d)模型可以根據(jù)不同的數(shù)據(jù)，自主選擇不同的內(nèi)核方法和參數(shù)進(jìn)行求解，如用戶沒有選擇，則會(huì)按照默認(rèn)的內(nèi)核方法與模型參數(shù)進(jìn)行求解；f)基于采樣數(shù)據(jù)(即優(yōu)化控制條件),模型不斷優(yōu)化碳儲(chǔ)量空間分布，直到模擬結(jié)果滿足設(shè)定的精g)HASM等方法運(yùn)行結(jié)束，得到最終的碳儲(chǔ)量的空間分布格局。6.3.5模型精度驗(yàn)證模型驗(yàn)證采用交叉驗(yàn)證方法，其步驟為：a)從優(yōu)化控制點(diǎn)中抽取一定比例的樣本作為檢驗(yàn)樣本，不參與模型模擬；b)利用剩余的樣本進(jìn)行模擬碳儲(chǔ)量空間分布；c)利用檢驗(yàn)樣本計(jì)算模型平均絕對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差；d)重復(fù)上述的三個(gè)步驟，每次抽取樣本與之前檢驗(yàn)樣本無重復(fù)點(diǎn)，保證所有優(yōu)化控制點(diǎn)均被作為檢驗(yàn)樣本一次且僅有一次，統(tǒng)計(jì)所有平均絕對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差即為最終模擬精度。7大氣XCO?數(shù)據(jù)觀測與模擬7.1地面觀測利用國際大氣成分地基觀測網(wǎng)絡(luò)通用的傅里葉變換光譜儀器進(jìn)行XCO?地面觀測，觀測站選址要求及觀測儀器操作流程按照QX/T159執(zhí)行。7.2遙感數(shù)據(jù)觀測與處理CO?遙感衛(wèi)星探測空間分辨率宜在2km×2km及以上，時(shí)間分辨率宜在16d及以上。6GB/T42419—2023CO?遙感衛(wèi)星處理過程包含：c)云和氣溶膠數(shù)據(jù)：反演時(shí)需選擇云和氣溶膠大氣產(chǎn)品做數(shù)據(jù)輸入。大氣XCO?反演數(shù)據(jù)精度應(yīng)在1%以上。以碳衛(wèi)星為例進(jìn)行的反演流程見附錄D。7.3大氣XCO?模擬大氣XCO?模擬基于CO?遙感衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)反演結(jié)果、大氣化學(xué)傳輸模型和HASM等。其操作流程圖如圖3所示大氣化學(xué)傳輸模型模擬CO大氣化學(xué)傳輸模型模擬COHASM等地面觀測XCO?數(shù)據(jù)驗(yàn)證精度驗(yàn)證結(jié)果滿足要求是否圖3大氣XCO?模擬流程圖相應(yīng)的流程為：a)用大氣化學(xué)傳輸模型模擬輸出大氣CO?分層濃度，結(jié)合壓強(qiáng)權(quán)重函數(shù)(見附錄C)建立XCO?b)以衛(wèi)星反演的XCO?作為優(yōu)化控制條件，結(jié)合上一步構(gòu)建的XCO?趨勢場，利用HASM等方法建立高精度XCO?分布；7GB/T42419—2023c)地面同步觀測數(shù)據(jù)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)研究區(qū)CO?濃度初始場、CO?排放清單及氣象數(shù)據(jù)，采用大氣化學(xué)傳輸模型和壓力權(quán)重函數(shù)，建立XCO?趨勢場。大氣化學(xué)傳輸模型與壓強(qiáng)權(quán)重函數(shù)見附錄C。按照6.3.4執(zhí)行。模型驗(yàn)證采用地面驗(yàn)證方法，依據(jù)地基高光譜二氧化碳遙感探測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，也可結(jié)合國際TCCON地面站觀測數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果。8GB/T42419—2023(資料性)HASM等方法輸入數(shù)據(jù)格式示例A.1驅(qū)動(dòng)場數(shù)據(jù)格式文件頭包括ncols(列數(shù))、nrows(行數(shù))、xllcorner(左下角的x坐標(biāo))、yllcorner(cellsize(網(wǎng)格大小)、NODATA_value(缺省值)。數(shù)據(jù)部分是一個(gè)規(guī)格為ncols×nrows的大型矩陣。具體數(shù)據(jù)格式見圖A.1。ncolsnroWSxllcorneryllcornercellsizeNODATA_value-99990.00013545520.0010316230.0014336050.0023490420.0025809150.0024057330.000.0001360060.00056153260.00057740620.0003499450.0018195270.0010681690.00.000126963-0.00039536593.104788e-005-0.00027371290.001352360.00030076130.00024651630.00035898128.533653e-005-0.0004980164-0.00044863592.849064e0.0007071808-0.0002816650.00014816-1.40603e-0056.39861e-0050.00019474460.0008762184-0.0004236714-0.0007722458-0.00012949780.0011262350.000726140.0009111685-0.0006807012-0.001035668-8.127873e-0050.0021811190.002224820.0008726402-0.0009777033-0.0013137256.176913e-0050.0031015930.0026203520.0007824968-0.001255408-0.0012420940.00066702270.0029611050.005567150.0.000764972-0.001368039-0.0012444740.0011691760.0043761180.0046906080.00.0007384459-0.001360869-0.0013034770.0016226430.0074169890.0072903970.0.001358231-0.001580227-0.0014724260.0020928310.0055464540.0085885990.00.001316047-0.001803527-0.0014430810.0028093070.0075171530.012611380.02圖A.1驅(qū)動(dòng)場數(shù)據(jù)格式A.2優(yōu)化控制條件格式優(yōu)化控制條件分為三列數(shù)據(jù)，其中第一列x表示觀測點(diǎn)的經(jīng)度值，第二列y表示觀測點(diǎn)的緯度值，第三列≈為該樣本點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)值。小數(shù)點(diǎn)位數(shù)應(yīng)保持和驅(qū)動(dòng)場一致的要求，達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后9位。具體文本格式見圖A.2。900C700C7XZ-3-2.60.0002946090.000945990.0024351230.004921730.0075820820.0089870150.0086401030.0069208380.00453102610.0026749060.000548510.000176646-333.77182E-05GB/T42419—2023(資料性)碳衛(wèi)星屬性信息提取表B.1所示為碳衛(wèi)星屬性信息提取參數(shù)。表B.1碳衛(wèi)星屬性信息提取參數(shù)提取信息屬性名稱屬性字段說明光譜波長O2-A光譜標(biāo)定系數(shù)/InstrumentHeader/dispersion_coef_samp_o2′光譜定標(biāo)系數(shù)為二維數(shù)組C(6,9),光譜波長計(jì)算公式：lamda(j,i)=C(6,i)十C(5,i)*j+C(4,i)×j*j+C(3,i)*j*j*j+C(2,i)*j*j*j*j+C(1,i)*j*j*j*j*j其中o2波段j取值[1-1242],co2波段j取值[1-500]WCO2光譜標(biāo)定系數(shù)'/InstrumentHeader/dispersion_coef_samp_weak_co2′SCO2光譜標(biāo)定系數(shù)/InstrumentHeader/dispersion_coef_samp_strong_co2儀器線性函數(shù)O2-A波段ILS的波長格點(diǎn)'/InstrumentHeader/ils_delta_lambda_o2′波長格點(diǎn)與歸一化的儀器線性函數(shù)均為三維數(shù)組，其中o2波段為[9,1242,200],co2波段為[9,500,200]。取均值得到波長相對(duì)應(yīng)的ILS[200,2]數(shù)據(jù)O2-A歸一化儀器線性函數(shù)'/InstrumentHeader/ils_relative_response_o2'SCO2波段ILS的波長格點(diǎn)'/InstrumentHeader/ils_delta_lambda_strong_co2′SCO2歸一化儀器線性函數(shù)'/InstrumentHeader/ils_relative_response_strong_co2WCO2波段ILS的波長格點(diǎn)'/InstrumentHeader/ils_delta_lambda_weak_co2WCO2歸一化儀器線性函數(shù)/InstrumentHeader/ils_relative_response_weakco2輻亮度O2-A輻亮度/SoundingMeasurements/radiance_o2輻亮度為三維數(shù)組O(Frame.9,1242or500)根據(jù)提取波長直接得到相對(duì)應(yīng)的obs[1242,2],obs[500,2]WCO2輻亮度'/SoundingMeasurements/radiance_weak_co2′SCO2輻亮度/SoundingMeasurements/radiance_strong_co2′信噪比O2-A信噪比系數(shù)'/SoundingMeasurements/snr_信噪比為三維數(shù)據(jù)S(2,9,1242or500)根據(jù)提取到的輻亮度計(jì)算信噪比SNRobs/sqrt(obs×S(1,*,*)*S(1,興，興)十S(2,*,*)*S(2,*,*))得到與提取波長相對(duì)應(yīng)的SNR[1242or500,2]WCO2信噪比系數(shù)'/SoundingMeasurements/snr_weak_co2_l1b′SCO2信噪比系數(shù)'/SoundingMeasurements/snr_strong_co2_l1bGB/T42419—2023表B.1碳衛(wèi)星屬性信息提取參數(shù)(續(xù))提取信息屬性名稱屬性字段說明觀測信息觀測ID/SoundingGeometry/sounding_id′經(jīng)度'/SoundingGeometry/sounding_緯度'/SoundingGeometry/sounding_衛(wèi)星高度/FrameGeometry/satellite_alt'太陽天頂角'/SoundingGeometry/sounding_觀測天頂角/SoundingGeometry/sounding_觀測方位角'/SoundingGeometry/sounding_太陽方位角/SoundingGeometry/sounding_方位角azimuth=soundingazimuth-sounding_solar_azimuthO2質(zhì)量標(biāo)識(shí)//FootprintGeometry/footprint_o2_qual_flagWCO2質(zhì)量標(biāo)識(shí)/FootprintGeometry/footprint_weak_co2_qual_flag'觀測質(zhì)量標(biāo)識(shí)'/SoundingMeasurements/sounding_qual_flag每幀每個(gè)sounding數(shù)據(jù)的質(zhì)量標(biāo)識(shí)數(shù)字高程'/SoundingGeometry/sounding_觀測時(shí)間'/FrameHeader/frame_time_string陸地與水域標(biāo)識(shí)'/SoundingGeometry/sounding_land_water_indicatorGB/T42419—2023(資料性)大氣化學(xué)傳輸模型與壓強(qiáng)權(quán)重函數(shù)C.1大氣化學(xué)傳輸模型以區(qū)域大氣化學(xué)傳輸模型(WeatherResearchandForecastingModel-Chemistry,WRF-Chem)為例，區(qū)域大氣化學(xué)傳輸模型WRF-Chem的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)包含四種(見圖C.1):a)外部輸入的CO?排放清單主要包括人為排放源、海洋通量、生物質(zhì)燃燒排放等；b)MODIS衛(wèi)星level-3陸地產(chǎn)品(MOD09A1SurfaceReflectance8-DayL3,Global500mSINGrid)為WRF-Chem提供增強(qiáng)型植被指數(shù)(EnhancedVegetationIndex,EVI)、地表水分指數(shù)(LandSurfaceWaterIndex,LSWI)、年內(nèi)最大及最小增強(qiáng)型植被指數(shù)和地表水分指數(shù)(EVI_MAX、EVI_MIN、LSWI_MAX、LSWI_MIN),以及8種植被覆蓋度(vegetationfraction);c)來自碳追蹤同化系統(tǒng)(CarbonTracker)或戈達(dá)德地球觀測系統(tǒng)大氣化學(xué)傳輸模式(GoddardEarthObservingSystem-Chemistry,GEOS-Chem)等模擬的全球CO?濃度數(shù)據(jù)，用于作為WRF-Chem運(yùn)行的CO?初始場和邊界條件；d)氣象要素再分析資料用于驅(qū)動(dòng)WRF-Chem中的氣象場模擬，如美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心球再分析資料(FNL)、歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心全球再分析資料(EuropeanCentreforMedium-RangeWeatherWeatherForecasts,ECMWF)等。CO?排放清單MODIS數(shù)據(jù)全球CO?濃度場WRT-Chein氣象要素丙分析資料圖C.1WRF-Chem輸入及輸出數(shù)據(jù)C.2壓強(qiáng)權(quán)重函數(shù)壓強(qiáng)權(quán)重函數(shù)見公式(C.1):式中：h——壓強(qiáng)權(quán)重函數(shù)；Psur——地表壓強(qiáng)，單位為百帕(hPa);i——?dú)鈮悍謱又械牡趇層。注：對(duì)于上下邊界層分別只取絕對(duì)值符號(hào)里面的左側(cè)或者右側(cè)。正向模正向模型反演算法(資料性)大氣XCO?反演流程大氣XCO?反演是以大氣輻射傳輸模型和最優(yōu)估計(jì)為基礎(chǔ)，其流程為：a)衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理，利用提取得到的衛(wèi)星光譜參數(shù)和幾何信息，結(jié)合大氣廓線先驗(yàn)值在正向的大氣輻射傳輸模型中進(jìn)行模擬；b)把模擬光譜與觀測光譜進(jìn)行迭代，迭代過程中不斷地更新狀態(tài)量，使其代價(jià)函數(shù)最小化，最終達(dá)到收斂得到反演結(jié)果；c)根據(jù)反演得到的大氣二氧化碳(CO?)分子數(shù)和大氣氧氣(O?)分子數(shù)，計(jì)算干空氣中二氧化碳柱平均摩爾分?jǐn)?shù)(XCO?),見公式(D.1):……(D.1)式中：Columnco?——CO?分子數(shù)，moleclules/cm3;大氣XCO?數(shù)據(jù)反演流