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(rèn)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(zhǔn)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(xiàn)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(yán)峻挑戰(zhàn)。目前，國際社會已逐步達(dá)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)（GAW）、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(yuǎn)遠(yuǎn)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(dá)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(xiàn)真實透明地測算出來，就是碳盤點的具體任務(wù)。

在全球碳計劃2020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(jìn)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(zhǔn)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動權(quán)，維護(hù)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(zhǔn)確了解溫室氣體的源匯變化特征和機(jī)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(rèn)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2009年成功發(fā)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(qiáng)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(jī)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(jī)。

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(jìn)。2016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。2018年5月，高分五號衛(wèi)星成功發(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(dá)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)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(jī)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。

總體來說，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(rèn)知缺陷，又包括缺乏精細(xì)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(zhǔn)確量化全球碳循環(huán)格局和變率。我國于2010年啟動的全球變化研究國家重大科學(xué)研究計劃、2016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。2017年立項的國家重點研發(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(xì)、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(xì)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(jìn)一步提高模型估計陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳速率準(zhǔn)確性。

我們認(rèn)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統(tǒng)的發(fā)展趨勢。2016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(jìn)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，并能達(dá)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(dá)1000公里，以滿足觀測需求。

這對載荷研制提出了非?？量痰囊螅绾卧诠こ碳夹g(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(qiáng)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(dá)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(jìn)步，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(jī)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(dá)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(jī)遇。

科學(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(jìn)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中和戰(zhàn)略對空間信息技術(shù)的需求，推進(jìn)碳衛(wèi)星科學(xué)計劃項目集成與國際合作。

面向全球碳盤點和中國雙碳目標(biāo)需求，需要利用衛(wèi)星遙感、大數(shù)據(jù)、碳同化等先進(jìn)技術(shù)和方法，實現(xiàn)高時空分辨率、高精度、高時頻的大氣溫室氣體濃度監(jiān)測，并提供高精度、高分辨率的人為源碳排放和生態(tài)系統(tǒng)碳源匯科學(xué)數(shù)據(jù)，闡明大氣溫室氣體的來源、并有效區(qū)分與量化人為源和自然源的通量貢獻(xiàn)，建立全球、國家和熱點區(qū)域的溫室氣體排放的監(jiān)測和驗證支撐技術(shù)體系。

（作者：劉良云，系中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院研究員）