衛(wèi)星助力碳中和

鄧之湄

2021年9月14日，“吉林一號”衛(wèi)星拍攝的內(nèi)蒙古自治區(qū)景色

衛(wèi)星遙感正成為國際認(rèn)可的新一代全球碳盤點(diǎn)方法——碳從哪里排放？減了多少碳？還有多少排放需要中和？相比傳統(tǒng)方法，衛(wèi)星遙感具有客觀、連續(xù)、穩(wěn)定、大范圍和可重復(fù)觀測等優(yōu)點(diǎn)。

迄今，日本、美國和中國已相繼發(fā)射了具備大氣二氧化碳濃度觀測能力的衛(wèi)星。2016年12月22日，我國首顆碳衛(wèi)星、全球二氧化碳監(jiān)測科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射基地發(fā)射升空并在軌運(yùn)行，成為國際上第三顆溫室氣體監(jiān)測衛(wèi)星。隨后，2018年5月9日，我國再次成功發(fā)射高分五號衛(wèi)星，搭載的溫室氣體監(jiān)測儀GMI的主要功能是定量監(jiān)測二氧化碳和甲烷的全球濃度分布變化。今年4月，我國使用長征四號丙運(yùn)載火箭成功發(fā)射大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星，以激光監(jiān)測二氧化碳濃度變化;8月又成功發(fā)射“句芒號”衛(wèi)星……

仰望星空，這一顆顆衛(wèi)星，成為助力碳中和的科技力量。

“句芒號”上天

2022年8月4日11時(shí)8分，我國在太原衛(wèi)星發(fā)射中心使用長征四號乙遙四十運(yùn)載火箭，成功將陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星“句芒號”送入預(yù)定軌道。

衛(wèi)星遙感因具有客觀、連續(xù)、穩(wěn)定、大范圍和可重復(fù)觀測等優(yōu)點(diǎn)，正成為新一代、國際認(rèn)可的全球碳盤點(diǎn)方法。國際衛(wèi)星對地觀測委員會(huì)明確提出，將在2025 年形成星座業(yè)務(wù)化運(yùn)行， 支撐2028年全球碳盤點(diǎn)。

句芒，是我國古代民間神話中的木神、春神、東方之神，主管樹木的發(fā)芽生長，象征對自然環(huán)境的敬畏與責(zé)任。衛(wèi)星發(fā)射前，國家航天局新聞宣傳中心與國家林業(yè)和草原局宣傳中心、中國空間技術(shù)研究院等單位聯(lián)合組織發(fā)起了陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星征名活動(dòng)。“句芒”“青綠”“尋木”“燭龍”“神農(nóng)”……每一個(gè)網(wǎng)友投稿的名稱和其背后的釋義都飽含大家對綠色生態(tài)環(huán)境的渴望和對中華傳統(tǒng)文化的喜愛。最終，“句芒”從近5000個(gè)投稿中脫穎而出。

“句芒號”是世界首顆森林碳匯主被動(dòng)聯(lián)合觀測的遙感衛(wèi)星，能夠?qū)崿F(xiàn)對森林植被生物量、氣溶膠分布、葉綠素?zé)晒獾鹊母呔榷窟b感測量，進(jìn)而計(jì)算出森林碳匯，即“森林植被吸收并存儲(chǔ)的二氧化碳量”。

過去，林業(yè)局要摸底森林碳匯，只能用傳統(tǒng)的監(jiān)測手段：森林調(diào)查員深入山林，依次測量每棵樹的高度和樹木胸徑，再算出碳匯。這種測量數(shù)據(jù)更新不會(huì)很及時(shí)，通常一個(gè)季度更新一次。國家航天局公布的信息顯示，“句芒號”衛(wèi)星在軌運(yùn)行后，可提高碳匯計(jì)量的效率和精度，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的人工碳匯計(jì)量手段。

“句芒號”衛(wèi)星運(yùn)行于高度為506公里、傾角97.4度的太陽同步軌道，通過綜合遙感手段實(shí)現(xiàn)植被生物量、大氣氣溶膠、植被葉綠素?zé)晒獾纫氐奶綔y和測量，將廣泛應(yīng)用于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測、國家重大生態(tài)工程監(jiān)測評價(jià)、大氣環(huán)境監(jiān)測和氣候變化中氣溶膠作用研究等工作。

2020年9月，我國在第75屆聯(lián)合國大會(huì)上正式提出，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。“句芒號”成功上天后，國家航天局表示，該衛(wèi)星將為我國實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和提供遙感力量，提高我國應(yīng)對全球氣候變化的話語權(quán)和主導(dǎo)權(quán)。

準(zhǔn)、全、細(xì)、精

作為“句芒號”衛(wèi)星的研制團(tuán)隊(duì)，航天科技集團(tuán)五院表示，研制團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將天基測繪“激光雷達(dá)+光學(xué)相機(jī)”為代表的主被動(dòng)聯(lián)合觀測手段應(yīng)用到森林監(jiān)測中。

植被高度、植被面積、葉綠素?zé)晒夂痛髿釶M2.5含量是計(jì)算森林碳匯能力的核心數(shù)據(jù)。為精準(zhǔn)監(jiān)測森林碳匯，“句芒號”衛(wèi)星配置了多波束激光雷達(dá)、多角度多光譜相機(jī)、超光譜探測儀和多角度偏振成像儀等4種載荷，以支持獲取上述數(shù)據(jù)，并確保數(shù)據(jù)“準(zhǔn)、全、細(xì)、精”。

為確保植被測高結(jié)果“準(zhǔn)”，“句芒號”利用多波束激光雷達(dá)進(jìn)行植被測高。這是一個(gè)抽樣測量的過程，通過計(jì)算激光到樹冠以及地面的時(shí)間差得出樹木的高度，而衛(wèi)星一次測量發(fā)射出激光的光束數(shù)量、頻次決定著測量精度。為最大程度提升植被測高的數(shù)據(jù)精度，研制團(tuán)隊(duì)通過數(shù)據(jù)反演、仿真分析、應(yīng)用測試，最終使植被測高精度大幅提升。

為確保獲取植被面積“全”，準(zhǔn)確還原森林茂密程度，研制團(tuán)隊(duì)為衛(wèi)星設(shè)計(jì)安裝了5個(gè)多光譜相機(jī)，實(shí)現(xiàn)對地5角度立體觀測。同時(shí)，為了避免植被陰、陽面光線影響，研制團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出月球定標(biāo)方法，確保5角度成像光譜響應(yīng)一致。實(shí)現(xiàn)這些能力后，5角度多光譜相機(jī)就能幫助“句芒號”繪制一幅“立體”植被分布圖。

葉綠素?zé)晒庵茍D是“句芒號”衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)高精度監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)。由于葉綠素?zé)晒獾哪芰糠浅Ｐ?，僅有約0.5%到2%以熒光的形式發(fā)射出來，為提升葉綠素光譜探測精“細(xì)”程度，研制團(tuán)隊(duì)為“句芒號”衛(wèi)星設(shè)計(jì)配置了超光譜探測儀，創(chuàng)新性使用了光柵分光原理，將光譜分辨率較傳統(tǒng)探測儀提升了10倍，實(shí)現(xiàn)了國際首次0.3納米精細(xì)探測，能夠探測到人眼所看不到的太陽光明暗細(xì)微變化。

為實(shí)現(xiàn)大氣校正數(shù)據(jù)“精”，研制團(tuán)隊(duì)為“句芒號”衛(wèi)星配置了偏振成像儀，支持35個(gè)角度監(jiān)測大氣PM2.5含量，獲取大氣橫向PM2.5含量信息。此外，研制團(tuán)隊(duì)還增配了大氣激光雷達(dá)，用于獲取大氣縱向PM2.5含量信息。一橫一縱，就將數(shù)據(jù)結(jié)果由二維變成了三維立體信息，更加精準(zhǔn)。

數(shù)據(jù)應(yīng)用是重頭

2020年，《巴黎氣候變化協(xié)定》通過五周年之際，聯(lián)合國秘書長安東尼奧·古特雷斯撰文呼吁：“每個(gè)國家、城市、金融機(jī)構(gòu)和公司都應(yīng)采取凈零排放計(jì)劃，從現(xiàn)在做起，走上實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的正確道路，即到2030年全球溫室氣體排放量比2010年的水平減少45%?！?/p>

8月4日11時(shí)08分，“句芒號”在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射

中國工程院院士、清華大學(xué)碳中和研究院院長賀克斌近日表示，截至2021年底，全球已有136個(gè)國家提出了碳中和承諾，這一范圍覆蓋了全球88%的二氧化碳排放、90%的GDP和85%的人口。

不過，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(dá)到并不容易。有幾個(gè)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(gè)國家的排放量是多少？將每一項(xiàng)減碳措施的效果、剩余碳排放、如何實(shí)現(xiàn)碳中和等明確化，將每一項(xiàng)減排貢獻(xiàn)真實(shí)透明地測算出來，就是碳盤點(diǎn)的具體任務(wù)。

“在軌運(yùn)行只是第一步，如何利用衛(wèi)星遙感進(jìn)行準(zhǔn)確有效的監(jiān)測、獲取高質(zhì)量數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)解析以及數(shù)據(jù)產(chǎn)品的應(yīng)用等環(huán)節(jié)才是重頭戲。”中國科學(xué)院大氣物理研究所碳中和研究中心副研究員楊東旭撰文稱。

2021年，中國科學(xué)院大氣物理研究所基于我國第一顆碳衛(wèi)星——全球二氧化碳監(jiān)測科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)，發(fā)布全球碳通量數(shù)據(jù)集，標(biāo)志著我國已具備全球碳收支的空間定量監(jiān)測能力，可以助力盤點(diǎn)各地碳收支核算。

事實(shí)上，早在2017年，我國宣布新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星“風(fēng)云四號”和首顆全球二氧化碳監(jiān)測科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)產(chǎn)品對全球用戶免費(fèi)開放，自那時(shí)起，我國成為繼日本、美國之后，第三個(gè)可以提供碳衛(wèi)星數(shù)據(jù)的國家。

2021年7月16日，全國碳排放權(quán)交易在上海環(huán)境能源交易所股份有限公司正式開市。此前，我國已陸續(xù)啟動(dòng)七個(gè)碳交易試點(diǎn)，分別為深圳、上海、北京、廣東、天津、湖北和重慶。

“雙碳”（碳達(dá)峰與碳中和的簡稱）成為全球熱點(diǎn)后，碳交易隨之升溫。中投協(xié)咨詢委綠創(chuàng)辦公室副主任郭海飛稱，2021年，全球主要碳市場交易額達(dá)到7600億歐元，相比2020年增長164%。其中，歐盟排放交易體系以6830億歐元占據(jù)全球交易額的約90%。

就國內(nèi)而言，“隨著未來石化、化工、建材、鋼鐵、有色、造紙、航空、建筑等行業(yè)納入到全球統(tǒng)一的碳交易市場，我國碳交易市場規(guī)模可能會(huì)超過數(shù)萬億元人民幣?！惫ｏw說。

但市場不會(huì)一蹴而就。

碳數(shù)據(jù)方案提供商行星數(shù)據(jù)CEO白純鈺公開表示，為了碳交易而購買碳數(shù)據(jù)的客戶，很在意是否可以按照需求監(jiān)測和分析交易的碳資產(chǎn)，比如最近三個(gè)月全國森林碳匯的整體變化情況——這需要衛(wèi)星配套的數(shù)據(jù)反演軟件快速處理各種需求。

“國家隊(duì)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)用戶往往是國家級的科研單位，其需求主要瞄準(zhǔn)更宏觀的全球變化研究或國家層面需求，這和市場上的商業(yè)化應(yīng)用很多時(shí)候并不完全匹配，這也導(dǎo)致沒有發(fā)射能力的衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用公司即使拿到這類數(shù)據(jù)之后，可以施展的空間尚非常有限?！卑准冣暦Q，伴隨市場的成熟，對碳數(shù)據(jù)的需求必將更大，而衛(wèi)星也將在實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的進(jìn)程中發(fā)揮更大作用。