衛(wèi)星遙感技術(shù)助力碳中和戰(zhàn)略的精準監(jiān)測與有效評估

文 | 高綠化 李莘莘 鄭藝 趙少華 王中挺 鄒銘敏 王康卉 賴積保

1.國家航天局對地觀測與數(shù)據(jù)中心

2.中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院/遙感科學國家重點實驗室

3.生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應用中心

4.安徽大學

一、引言

2020 年9 月，中國提出2030 年“碳達峰”、2060 年“碳中和”的目標。作為全球碳排放總量占比最高的國家，中國對碳中和的承諾是全球應對氣候變化進程中的里程碑事件，具有巨大和深遠的意義，也是中國對“人類命運共同體”建設(shè)的最實質(zhì)性貢獻。全球CO2濃度分布的空間格局和時間變化是人為活動導致的CO2排放（碳源）、生態(tài)系統(tǒng)的凈碳吸收（碳匯）以及大氣傳輸作用的綜合結(jié)果。開展全球CO2監(jiān)測、解析碳源匯分布情況和變化趨勢，已成為氣候變化研究的核心科學問題之一，對于制定減排目標和落實減排成效具有重要的支撐作用和現(xiàn)實意義。對我國來說，“碳達峰、碳中和”作為時間緊迫的國家戰(zhàn)略目標，同時也是排放與吸收的中和過程，定量化監(jiān)測、精細化評估是非常重要的環(huán)節(jié)。

相對于傳統(tǒng)的地面監(jiān)測和人工核查手段，衛(wèi)星遙感具有覆蓋范圍廣、獲取周期短、更新速度快、限制條件少等優(yōu)點，可以快速準確的反演CH4、CO2等大氣參數(shù)的時空分布[1]，也可以精確評估生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力和價值。2021 年聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第六次評估報告[2]第一工作組的報告《氣候變化2021：自然科學基礎(chǔ)》對衛(wèi)星遙感技術(shù)給予厚望：“通過衛(wèi)星遙感、地面探測傳感器等技術(shù)，拓展對溫室氣體立體觀測和網(wǎng)絡(luò)功能布局；進一步完善氣候系統(tǒng)綜合監(jiān)測體系；基于衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，研發(fā)主要溫室氣體濃度變化產(chǎn)品，研制全球和中國區(qū)域植被、海溫、凍土、積雪長時間序列氣候數(shù)據(jù)集等?！眹鴦?wù)院2021 年10 月印發(fā)的《2030 年前碳達峰行動方案》[3]也明確指出：“推進碳排放實測技術(shù)發(fā)展，加快遙感測量、大數(shù)據(jù)、云計算等新興技術(shù)在碳排放實測技術(shù)領(lǐng)域的應用，提高統(tǒng)計核算水平?！彪S著傳感器技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星遙感的空間分辨率也越來越高，時間序列越來越完整，在碳源碳匯監(jiān)測和評估等領(lǐng)域的應用也將越來越廣泛。

二、碳監(jiān)測衛(wèi)星與星載傳感器

星載CO2觀測包括熱紅外通道和短波近紅外通道兩種探測方式。2002 年歐洲航天局（ESA）發(fā)射的ENVISAT 衛(wèi)星中搭載的SCIAMACHY 傳感器[4]，首次實現(xiàn)了短波近紅外通道的全球范圍CO2遙感監(jiān)測，但由于其CO2的探測精度低于14ppm，難以滿足全球變化研究和碳盤點等實際需求。由日本宇宙航空開發(fā)機構(gòu)等單位研制的GOSAT 衛(wèi)星于2009 年1 月發(fā)射升空，是世界上首顆能夠業(yè)務(wù)化的全球溫室氣體探測衛(wèi)星[5]。OCO-2 衛(wèi)星由美國NASA 研制開發(fā)，其提供的主要產(chǎn)品量化了地球表面到大氣層頂空氣柱中CO2的平均濃度[6]。我國于2016 年12 月成功發(fā)射了全球CO2監(jiān)測科學實驗衛(wèi)星（簡稱：碳衛(wèi)星，TanSat）[6-7]。TanSat 搭載的高光譜溫室氣體探測儀可以觀測大氣中CO2的光譜吸收特征；同時還可以監(jiān)測全球植被葉綠素熒光，估算全球陸地植被生產(chǎn)力。2018 年5 月高分五號（GF-5）衛(wèi)星成功發(fā)射，共搭載了包括大氣主要溫室氣體監(jiān)測儀（GMI）[7]在內(nèi)的六臺有效載荷。2021 年9 月，在太原衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射的高分五號02 星作為《國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃（2015—2025 年）》中的一顆業(yè)務(wù)星，其溫室氣體監(jiān)測儀GMI-II 在GMI 的基礎(chǔ)上進行了優(yōu)化設(shè)計，CO2探測通道信噪比、光譜帶寬等關(guān)鍵指標得到進一步的提升和改善。2022 年4 月，我國成功將大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星發(fā)射升空，該星也是全球首顆搭載主動激光雷達CO2探測的衛(wèi)星。8 月4 日，我國首顆陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星“句芒號”發(fā)射成功，該星配置多波束激光雷達、多角度多光譜相機、超光譜探測儀等載荷，支持獲取植被高度、植被面積、大氣PM2.5 含量等數(shù)據(jù)，有助于提高碳匯計量的效率和精度。

由于覆蓋頻次、空間分辨率等指標的不足，第一代碳衛(wèi)星在支撐全球碳盤點以及我國雙碳政策期望的業(yè)務(wù)應用還有明顯差距[8]。為此，世界各國都在大力研制更精細化、主被動結(jié)合、寬幅覆蓋的下一代碳衛(wèi)星，如英法聯(lián)合開發(fā)的MicroCarb、NASA 的GeoCarb[9]、ESA 的CO2M[10]，以及我國的空基“十四五”高精度溫室氣體綜合探測衛(wèi)星（DQ-2）和下一代碳衛(wèi)星科學計劃。未來必將是一個碳衛(wèi)星及遙感監(jiān)測科學高速發(fā)展的時期。傳統(tǒng)上國內(nèi)外對于“碳”衛(wèi)星的理解和稱謂主要是面向人為碳排放的溫室氣體載荷。而針對山河林田湖草沙等生態(tài)系統(tǒng)固碳能力評估的遙感手段除了需要“碳”衛(wèi)星支撐外，更需配合歸一化植被指數(shù)、凈初級生產(chǎn)力、總生產(chǎn)力以及地表覆被類型等生態(tài)參數(shù)計算而來。這些參數(shù)的衛(wèi)星觀測技術(shù)已經(jīng)相對成熟，可用于觀測這些參數(shù)的衛(wèi)星有：美國的Landsat 系列，AQRA、Terra 衛(wèi)星搭載的MODIS 載荷，以及ESA的Sentinel 系列衛(wèi)星等。

三、碳遙感的市場和需求分析

在氣候變化宏觀背景下和雙碳目標的大力推動下，我國的碳監(jiān)測市場空間廣闊、潛力巨大，市場規(guī)模有望達到百億級。目前，中國的碳排放監(jiān)測主要模式為“政府牽頭，企業(yè)參與，多方推進落實”。未來衛(wèi)星遙感助力我國雙碳政策可以從以下三個層面實現(xiàn)：

1.政府層面

政府作為碳市場的管理者，需要根據(jù)碳排放的觀測數(shù)據(jù)制定環(huán)境治理目標和發(fā)布節(jié)能減排任務(wù)，可以期待未來各級政府每年都會發(fā)布大量的碳排放監(jiān)測招標項目。因此，面向政府用戶，尤其針對全國、省、市、縣各級的發(fā)改、環(huán)保、氣象、電力、林業(yè)、農(nóng)業(yè)等政府部門，衛(wèi)星遙感可以從智慧城市下屬的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，通過建立數(shù)據(jù)引擎和軟件平臺，提供數(shù)據(jù)與軟件銷售等服務(wù)。據(jù)統(tǒng)計，目前政府層面面向“碳中和”以及利用衛(wèi)星遙感的智慧城市建設(shè)完成尚不到10%。假設(shè)以每個城市千萬級計，全國三百多個地級市的業(yè)務(wù)規(guī)模在數(shù)十億以上市值。

2.企業(yè)層面

企業(yè)作為在碳循環(huán)過程中最主要的排放單元，是未來監(jiān)測和治理的重點領(lǐng)域。目前，中國企業(yè)在應對氣候變化和碳減排方面工作的總體還處在初級階段，絕大多數(shù)企業(yè)還不了解自身的碳排放情況，更沒有具體的碳減排和碳中和的規(guī)劃。將衛(wèi)星遙感結(jié)合地面探測手段進行配合工作，幫助企業(yè)建立碳排放的邊界核算指標和碳中和反演產(chǎn)品，以此來量化企業(yè)的碳排放節(jié)能減排成效、平衡經(jīng)濟效益和節(jié)能減排之間的關(guān)系。在中國，實現(xiàn)碳中和的重點領(lǐng)域涉及眾多需要碳排放監(jiān)測技術(shù)支撐的企業(yè)，保守估計每年市場份額在數(shù)十億以上。

3.社區(qū)和個人層面

個人作為碳循環(huán)過程中最小的排放單位，也是碳市場的需求終端。未來，以人的健康需求為導向，開發(fā)面向社區(qū)和個人的碳監(jiān)測產(chǎn)品，在APP、微信小程序等終端分發(fā)信息，一方面提供面向社區(qū)低碳生活的空氣質(zhì)量、水質(zhì)、植被等實時動態(tài)環(huán)境情況，展現(xiàn)居住地的現(xiàn)狀和歷史演變；另一方面提供面向過敏性鼻炎、哮喘等與環(huán)境因素相關(guān)的疾病人群（我國2億人以上），可以有效地幫助用戶規(guī)劃出行路線，規(guī)?？蛇_幾十億級。

四、碳遙感的應用領(lǐng)域

1.助力碳源（排放）精細監(jiān)測

針對人為碳排放的精細化監(jiān)測，是評估碳中和狀態(tài)的關(guān)鍵，也是國內(nèi)外主流碳衛(wèi)星研發(fā)的初衷。產(chǎn)生溫室氣體的行業(yè)和領(lǐng)域眾多，目前我國碳中和關(guān)注的八大重點領(lǐng)域包括電力、交通、工業(yè)、新材料、建筑、農(nóng)業(yè)、負碳排放以及信息通信與數(shù)字化，這些領(lǐng)域以后也是衛(wèi)星遙感實現(xiàn)碳盤點和開展典型應用的優(yōu)先示范。碳排放遙感監(jiān)測首先需要解決CO2、CH4、N2O 等柱濃度的高精度反演；其次需要研發(fā)自上而下的溫室氣體排放清單計算方法，實現(xiàn)面向不同領(lǐng)域（部門）的碳排放精細化計算。

2.助力碳匯（吸收）定量核查

由于大面積宏觀監(jiān)測手段的缺失，導致我國碳匯總量評估的不確定性非常大，在幾十億噸（8億～30 億噸）之間波動。長期以來，我國生態(tài)系統(tǒng)的碳匯評估在國際上沒有話語權(quán)，大大提高了未來碳中和的實現(xiàn)難度，增加了經(jīng)濟發(fā)展負擔。所以，如何促進衛(wèi)星遙感在固碳能力監(jiān)測和第三方核查方面發(fā)揮引領(lǐng)作用，也是下一步發(fā)展的重點。具體而言，可以發(fā)展面向森林、草地、沙地、湖泊、濕地、河流、海洋等領(lǐng)域的高精度、高時效、高分辨率的遙感監(jiān)測技術(shù)，為未來我國在氣候變化談判、國際碳交易等方面提供量化依據(jù)和技術(shù)支撐。

3.助力清潔能源高效利用

未來世界進入雙碳時代，意味著各個國家從“資源依賴型”逐步走向“技術(shù)依賴型”。目前清潔能源的高效開發(fā)和利用，還需要精準監(jiān)測和快速預報能力的大力支撐。通過提供面向清潔能源精準監(jiān)測和預報的衛(wèi)星遙感產(chǎn)品，例如面向海上風場的遙感監(jiān)測、面向光伏產(chǎn)業(yè)的太陽輻射遙感監(jiān)測、面向水電站的河流水量遙感監(jiān)測等，能夠大幅度提升并挖掘風光水核等清潔能源的應用潛力。

4.助力低碳社會快速發(fā)展

碳中和涉及社會經(jīng)濟的各個方面，低碳未來已經(jīng)成為社會經(jīng)濟發(fā)展的一個重要方向。通過發(fā)揮衛(wèi)星遙感覆蓋廣、限制少等優(yōu)勢，可以廣泛應用于智慧城市、企業(yè)園區(qū)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、宜居社區(qū)、個人碳足跡和碳積分等低碳社會的方方面面。

5.助力衛(wèi)星對地觀測下的碳指標監(jiān)測體系制定

目前，衛(wèi)星對地觀測體系下的碳指標監(jiān)測標準制定還是相關(guān)領(lǐng)域的研究空白。為了推進我國碳監(jiān)測體系規(guī)劃和系統(tǒng)論證，中科院空天院聯(lián)合國防科工局重大專項工程中心等多家單位，制定并發(fā)布了《衛(wèi)星對地觀測下的碳指標監(jiān)測體系》團體標準（http∶//www.ttbz.org.cn/Home/Show/38104）。

五、問題與展望

1.存在的主要問題

自我國于2016 年12 月發(fā)射碳衛(wèi)星以來，利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行碳源匯觀測也僅僅發(fā)展了短短幾年，仍然存在很多問題。如：早期發(fā)射的碳監(jiān)測衛(wèi)星由于受整體探測能力的限制，存在覆蓋范圍和分辨率之間的平衡問題，反演結(jié)果難以反映在局部區(qū)域的碳排放變化情況和空間分布格局；碳監(jiān)測衛(wèi)星尚未形成系列化發(fā)展，利用衛(wèi)星進行碳監(jiān)測應用尚處于初期階段，在碳匯精準評估、碳交易等方面的業(yè)務(wù)落地還比較欠缺等，不能滿足目前碳遙感需求?？傊?，衛(wèi)星遙感支撐“碳達峰、碳中和”的研究和應用力度還需不斷加強。

2.碳遙感技術(shù)展望

（1）發(fā)揮國家重大遙感工程和相關(guān)遙感單位在雙碳戰(zhàn)略中的引領(lǐng)作用

為了使遙感技術(shù)更加有效助力碳源碳匯的精準監(jiān)測和定量評估，必須與國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施、航天強國等重大工程與重大戰(zhàn)略緊密結(jié)合，發(fā)揮相關(guān)國家級遙感單位的引領(lǐng)作用，加快我國空間信息與應用技術(shù)發(fā)展，積極支持區(qū)域示范應用，滿足雙碳戰(zhàn)略在國民經(jīng)濟建設(shè)各方面的需要。

（2）研制新一代碳監(jiān)測遙感衛(wèi)星，形成國際虛擬碳監(jiān)測星座

為了應對日益嚴峻的氣候變化，歐美日等發(fā)達國家和地區(qū)一直積極推進新一代的碳監(jiān)測衛(wèi)星研發(fā)和應用，不斷發(fā)展星載碳監(jiān)測的理論基礎(chǔ)和技術(shù)體系?！笆奈濉逼陂g，我國也將重點研制寬視場、高分辨率、高精度，特別是滿足0.5ppm 大氣CO2監(jiān)測需求的溫室氣體衛(wèi)星載荷[8]。雖然新一代衛(wèi)星探測能力得到提高，但是任何單獨一顆衛(wèi)星都無法達到全球范圍精細化探測的要求。因此，需要將不同國家、不同軌道的碳監(jiān)測衛(wèi)星組成一個虛擬的星座，才是滿足快速增長的全球業(yè)務(wù)化觀測需求的最有效途徑。

（3）發(fā)展基于衛(wèi)星遙感的“自上而下”溫室氣體排放清單反演和校驗技術(shù)體系

考慮到目前采用統(tǒng)計核算等方法建立的溫室氣體排放清單普遍存在更新周期長、精細化程度低等缺點，在解決污染背景下的CO2、CH4、N2O 等柱濃度定量反演的基礎(chǔ)上，需構(gòu)建 “排放-濃度”約束方法，實現(xiàn)高時空分辨率溫室氣體排放清單的快速反演。同時針對不同國家、區(qū)域、行業(yè)等應用場景，研發(fā)面向統(tǒng)計核算數(shù)據(jù)的排放總量、變化趨勢、關(guān)鍵過程、空間分布的多維度校驗技術(shù)，為未來碳排放監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制和計量精度評判提供基礎(chǔ)技術(shù)參考。

（4）深化人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等新技術(shù)在碳遙感監(jiān)測中的應用

碳濃度/排放與地球表面的各種生物、物理、化學參數(shù)都有著密切聯(lián)系，是一個極其復雜的循環(huán)系統(tǒng)。人工智能具有強大的信息處理能力，以及將復雜問題抽象化的能力。因此在遙感監(jiān)測的基礎(chǔ)上，采用AI手段來模擬碳排放和濃度之間的復雜過程，將成為未來碳監(jiān)測領(lǐng)域的一個研究熱點?？紤]到目前全球監(jiān)測溫室氣體的站點不足300 個，所以如何基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，實現(xiàn)碳排放統(tǒng)計核查等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的快速采集，可以為衛(wèi)星遙感提供模型建模和交叉驗證的重要數(shù)據(jù)源。基于區(qū)塊鏈等技術(shù)，通過構(gòu)建耦合衛(wèi)星遙感等觀測手段，能夠?qū)崿F(xiàn)碳排放數(shù)據(jù)的安全存儲、快速清洗、高效匯總、上鏈存證等功能。

（5）形成“星空地”一體化的碳監(jiān)測和評估平臺

充分發(fā)揮星空地不同觀測手段的優(yōu)勢，形成一體化立體監(jiān)測系統(tǒng)。從星基角度，利用衛(wèi)星遙感覆蓋面廣、時間連續(xù)等特點，主要針對全球、國家和區(qū)域范圍，實現(xiàn)對不同時間尺度（小時、日、月、年際）的監(jiān)測和趨勢分析。空基角度，主要利用無人機和車載走航等技術(shù)，針對企業(yè)園區(qū)等碳監(jiān)測核心敏感區(qū)，實現(xiàn)精細化立體監(jiān)測。地基角度，通過整合地面站點數(shù)據(jù)、微型傳感器數(shù)據(jù)等設(shè)備和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)更加精細化的連續(xù)實時探測與解析。