全球碳排放遙感監(jiān)測相關(guān)論文的文獻分析

趙蘊華 李維波 苑朋彬

（中國科學(xué)技術(shù)信息研究所，北京 100038）

全球氣候變暖問題是人類迄今面臨的重大環(huán)境問題。美國《科學(xué)》雜志將“氣候危機”列為2016年令人矚目的事件之一[1]。人類活動導(dǎo)致的溫室氣體排放，是全球變暖的主要原因[2-3]。日益嚴(yán)峻的氣候變化，引起了世界各國的高度重視，采取了一系列的應(yīng)對措施。2016年11月《巴黎氣候協(xié)定》生效，全球近200個國家參與[4]。世界上主要碳排放國家均做出了相應(yīng)溫室氣體減排承諾。如美國承諾在2025年之前把溫室氣體排放量按2005年的水平減少26%～28%；歐盟承諾在2030年把溫室氣體排放量在1990年基礎(chǔ)上減少40%；中國提出于2030年左右達到碳排放峰值，到2020年單位生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2015年下降18%，碳排放總量得到有效控制[5]。

然而，落實減排承諾的重要舉措就是做好全球溫室氣體排放的監(jiān)測。衛(wèi)星遙感是探測大氣二氧化碳濃度的手段之一，其具有穩(wěn)定、連續(xù)、大尺度觀測等諸多優(yōu)點。因此，本文首先探究了衛(wèi)星遙感監(jiān)測碳排放技術(shù)和方法的發(fā)展對相關(guān)論文產(chǎn)出的影響，然后從發(fā)文國家與研究機構(gòu)、載文期刊與論文作者、技術(shù)領(lǐng)域等方面對相關(guān)文獻進行分析，以揭示衛(wèi)星遙感監(jiān)測碳排放技術(shù)的研究發(fā)展態(tài)勢。

1 衛(wèi)星遙感監(jiān)測與論文產(chǎn)出

利用衛(wèi)星遙感探測大氣二氧化碳濃度，能夠更好地獲得全球二氧化碳的時空分布與變化特征。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，一系列具備大氣二氧化碳探測能力的衛(wèi)星相繼發(fā)射升空，大氣制圖掃描成像吸收光譜儀（SCIAMACHY）、溫室氣體觀測衛(wèi)星（GOSAT）、大氣紅外探測儀（AIRS）等衛(wèi)星傳感器已經(jīng)獲得了多年的全球二氧化碳濃度分布產(chǎn)品[6-9]。2014年12月，美國宇航局利用OCO-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)得到全球第一個二氧化碳濃度圖像。2016年11月，美國宇航局通過OCO-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)，第一次生成了全球人為因素導(dǎo)致的二氧化碳排放圖[10-11]。衛(wèi)星遙感探測大氣二氧化碳取得了長足的進展。

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展和國際社會對全球氣候變化的高度重視，有關(guān)衛(wèi)星遙感監(jiān)測碳排放的相關(guān)論文越來越多地發(fā)表在了科技學(xué)術(shù)期刊上?？萍颊撐脑谝欢ǔ潭壬洗砹艘粋€國家的科技研發(fā)水平。本文利用Web of Science核心論文數(shù)據(jù)庫，以“carbon dioxide or greenhouse gas and remote sensing monitoring”為主題詞進行檢索，共檢索到相關(guān)論文400篇（檢索日期截止到2017年12月）。通過對這些文獻的分析發(fā)現(xiàn)，1991年美國首次發(fā)表了溫室氣體遙感監(jiān)測相關(guān)論文。之后，從1992年通過《聯(lián)合國氣候變化框架公約》到1999年通過《京都議定書》的這段期間內(nèi)與溫室氣體遙感監(jiān)測相關(guān)的論文增長到6篇。2009年雖然《哥本哈根協(xié)議》未獲得通過，但提出了將全球平均氣溫升幅控制在工業(yè)革命以前2℃的長期行動目標(biāo)，根據(jù)各國的GDP大小減少二氧化碳的排放量。由于提出了溫室氣體具體量化監(jiān)測指標(biāo)，于是與溫室氣體遙感監(jiān)測相關(guān)的論文呈井噴式增長。到2011年與溫室氣體遙感監(jiān)測相關(guān)的論文達到了43篇。2016年11月《巴黎氣候協(xié)定》生效后，各國紛紛提出了相應(yīng)的減排指標(biāo)，對大氣中二氧化碳濃度的監(jiān)測和測算越來越被重視，與溫室氣體遙感監(jiān)測相關(guān)的論文發(fā)表數(shù)量逐年上升，2016年達到33篇，2017年增加到41篇（圖1）。

圖1 溫室氣體遙感監(jiān)測相關(guān)論文的發(fā)文量

2 發(fā)表論文的國家與研究機構(gòu)

圖2列出了全球溫室氣體遙感監(jiān)測相關(guān)論文發(fā)文量前10的國家。美國發(fā)表論文數(shù)量為163篇，占總共研究論文的一半左右；我國發(fā)表論文數(shù)量為63篇，居第二位，是前10大論文發(fā)表國家中唯一的發(fā)展中國家；德國發(fā)表論文數(shù)量為60篇，居第三位。加拿大、法國、英國、意大利、日本、澳大利亞和荷蘭也是溫室氣體遙感監(jiān)測領(lǐng)域研究的主要國家。

圖2 全球溫室氣體遙感監(jiān)測相關(guān)論文發(fā)文量前10的國家

圖3 全球溫室氣體遙感監(jiān)測相關(guān)論文數(shù)量前5位的國家發(fā)文趨勢

論文量排名前5的國家發(fā)表論文趨勢如圖3所示。從圖3可以看到，美國在溫室氣體遙感監(jiān)測相關(guān)研究起步較早，1991年首先發(fā)表論文，之后以較快速度增長，在2003年發(fā)表相關(guān)論文5篇，在2014年增加到17篇；2015年和2016年略有下降，分別為14篇和9篇。我國在溫室氣體遙感監(jiān)測領(lǐng)域的論文發(fā)表起步相對較晚，在2004年開始發(fā)表相關(guān)研究論文，2005—2008年每年發(fā)表論文的數(shù)量為1～2篇。從2009年開始，發(fā)表論文的數(shù)量迅速增加，在2014年發(fā)表論文達9篇，2015年和2016年均發(fā)表論文6篇，截至2017年7月已經(jīng)發(fā)表8篇論文。德國、加拿大和法國論文發(fā)表趨勢具有相似性。在2009—2015年論文發(fā)表達到峰值，2017年分別發(fā)表論文6篇、2篇和1篇。

從研究機構(gòu)來看，在全球溫室氣體遙感監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)文量前10的研究機構(gòu)中有6所美國的研究機構(gòu)，它們是美國國家航天航空局、戈達德太空飛行中心、美國噴氣推進實驗、馬里蘭大學(xué)、加利福利亞大學(xué)和加州理工大學(xué)（圖4）。其中，美國航天航空局發(fā)表論文55篇，居全球首位。中國科學(xué)院在該領(lǐng)域發(fā)表相關(guān)論文28篇，居第二位。法國國家科學(xué)研究中心和德國亥姆霍茲研究中心分別發(fā)表論文26篇和19篇。

3 載文期刊與論文作者

經(jīng)對檢索到的400篇相關(guān)論文進行載文期刊和論文作者統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)這些論文總體分布在258種期刊中，作者數(shù)量高達2011名。表1和表2分別列出了排名前10的期刊和論文作者。

從表1可以看到，在排名前10的期刊中，載文總數(shù)量為132篇，占總論文量的33%，為本領(lǐng)域的專業(yè)核心期刊。另外，排名前10的各期刊載文量均在8篇以上。其中，《遙感》《學(xué)會學(xué)報》《環(huán)境遙感》作為本領(lǐng)域的專業(yè)期刊，載文數(shù)量最大，均在20篇以上。這3種期刊的總載文量占全部論文量的15.25%以上，是溫室氣體遙感監(jiān)測相關(guān)論文發(fā)表的主要期刊。

從表2可以看到，在發(fā)文量排名前10的作者中，發(fā)文總數(shù)量為66篇，占全部發(fā)文量的16.5%，是溫室氣體遙感監(jiān)測領(lǐng)域的主要研究人員，人均發(fā)文量在5篇以上。其中，Bovensmann H、Black TA、Buchwitz M、Burrows JP作為發(fā)文量最多的領(lǐng)域?qū)＜遥l(fā)文總數(shù)量占全部論文量的8.25%以上，是本領(lǐng)域的高產(chǎn)作者。

4 技術(shù)領(lǐng)域

圖5是利用VOSviewer對Web of Science核心論文數(shù)據(jù)庫中400篇有關(guān)衛(wèi)星遙感監(jiān)測碳排放的論文摘要和主題進行詞頻分析的示意圖。其中，中心黑色區(qū)域代表出現(xiàn)詞頻較高的核心主題領(lǐng)域，亮色區(qū)域代表出現(xiàn)詞頻一般的相關(guān)主題領(lǐng)域，周邊的灰色區(qū)域代表出現(xiàn)詞頻較低的其他主題領(lǐng)域。通過觀察可知，溫室氣體遙感監(jiān)測論文研究熱點主要集中于以下3個領(lǐng)域：一是溫室氣體遙感監(jiān)測模型，研究地表覆蓋、季節(jié)、溫度和晝夜等因素對二氧化碳遙感監(jiān)測模型的影響；二是溫室氣體遙感監(jiān)測技術(shù)，通過光譜傳感器監(jiān)測大氣中溫室氣體濃度；三是研究遙感監(jiān)測溫室氣體排放對土地、森林、水體等的影響。

圖4 溫室氣體遙感監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)文量全球前10所研究機構(gòu)

表1 載文量排名前10的期刊分布

表2 發(fā)文量排名前10的作者分布

圖5 溫室氣體遙感監(jiān)測論文摘要和主題詞詞頻

5 結(jié)論

碳排放是全球氣候變暖的主要原因，世界上主要國家均做出了減排承諾，并制訂了2020—2030年減排目標(biāo)的計劃。本文通過對衛(wèi)星遙感監(jiān)測碳排放方法進行梳理，發(fā)現(xiàn)遙感監(jiān)測技術(shù)可以快速、經(jīng)濟、可重復(fù)地獲取宏觀尺度上大氣中溫室氣體濃度，相對于傳統(tǒng)以經(jīng)濟指標(biāo)為基礎(chǔ)的模型計算和大氣監(jiān)測站等監(jiān)測方式具有明顯的優(yōu)勢。在此基礎(chǔ)上，通過對Web of Science核心論文數(shù)據(jù)庫中與溫室氣體遙感監(jiān)測相關(guān)的論文數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析和挖掘，得到當(dāng)前全球溫室氣體遙感監(jiān)測領(lǐng)域的總體競爭態(tài)勢。

（1）遙感監(jiān)測技術(shù)可快速、經(jīng)濟、重復(fù)地獲取大氣中溫室氣體濃度。美國、日本和歐盟等發(fā)達國家紛紛加強研究和規(guī)劃，未來將發(fā)射多顆溫室氣體遙感監(jiān)測衛(wèi)星，以期獲取碳排放量一手?jǐn)?shù)據(jù)資料。我國是碳排放大國，大力發(fā)展衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)將是實現(xiàn)減排承諾的重要措施，也是推動國際碳減排行動的重要示范。

（2）從科技論文發(fā)文量來看，溫室氣體遙感監(jiān)測相關(guān)論文數(shù)量逐年增高，反映了該技術(shù)正逐步引起國際上的重視?？萍颊撐漠a(chǎn)出在一定程度上代表了一個國家地區(qū)科研水平實力。盡管我國發(fā)文量排名第二，但作為發(fā)展中國家，與美國相比仍存在一定的差距。美國關(guān)于碳排放監(jiān)測技術(shù)的政策、法律、衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)等方面的舉措都是值得我國學(xué)習(xí)借鑒的。

（3）從發(fā)文國家來看，美國是溫室氣體遙感監(jiān)測領(lǐng)域研究實力最強的國家，已發(fā)布多張全球或區(qū)域尺度的溫室氣體濃度圖。我國溫室氣體遙感監(jiān)測技術(shù)盡管起步相對較晚，但進展迅速，是全球研究論文發(fā)表數(shù)量前十大國家中唯一的發(fā)展中國家。中美兩國引領(lǐng)全球遙感監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。

（4）從研究機構(gòu)看，美國航空航天局是全球溫室氣體遙感監(jiān)測領(lǐng)域研發(fā)實力最強的機構(gòu)，其次分別為中國科學(xué)院、法國國家科學(xué)研究中心和澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織。加強機構(gòu)間的合作將會大力推動碳排放監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。

（5）從載文期刊、人員來看，《遙感》《學(xué)會學(xué)報》《環(huán)境遙感》作為領(lǐng)域內(nèi)的專業(yè)期刊，收錄了大量的衛(wèi)星遙感監(jiān)測相關(guān)科技論文。另外，Bovensmann H、Black TA、Buchwitz M、Burrows JP等發(fā)表論文均在8篇以上，他們是溫室氣體遙感監(jiān)測技術(shù)研發(fā)的骨干力量。

（5）從技術(shù)領(lǐng)域來看，全球溫室氣體遙感監(jiān)測技術(shù)的研究側(cè)重于遙感監(jiān)測模型、遙感監(jiān)測技術(shù)和溫室氣體排放對土地、森林、水體等的影響這三大領(lǐng)域。在此基礎(chǔ)上，我國可以根據(jù)國際上的研究側(cè)重點，結(jié)合實際發(fā)展情況，對未來遙感監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展作出一定的規(guī)劃。