碳卫星

2021年9月14日，“吉林一号”卫星拍摄的内蒙古自治区景色卫星遥感正成为国际认可的新一代全球碳盘点方法——碳从哪里排放？减了多少碳？还有多少排放需要中和？相比传统方法，卫星遥感具有客观、连续、稳定、大范围和可重复观测等优点。迄今，日本、美国和中国已相继发射了具备大气二氧化碳浓度观测能力的卫星。2016年12月22日，我国首颗碳卫星、全球二氧化碳监测科学实验卫星在酒泉卫星发射基地发射升空并在轨运行，成为国际上第三颗温室气体监测卫星。随后，2018年5月9日，我国再次成功发射高分五号卫星，搭载的温室气体监测仪GMI的主要功能是定量监测二氧化碳和甲烷的全球浓度分布变化。今年4月，我国使用长征四号丙运载火箭成功发射大气环境监测卫星，以激光监测二氧化碳浓度变化；8月又成功发射“句芒号”卫星… … 仰望星空，这一颗颗卫星，成为助力碳中和的科技力量。“句芒号”上天2022年8月4日11时8分，我国在太原卫星发射中心使用长征四号乙遥四十运载火箭，成功将陆地生态系统碳监测卫星“句芒号”送入预定轨道。句芒，是我国古代民间神话中的木神、春神、东方之神，主管树木的发芽生长，象征对自然环境的敬畏与责任。卫星发射前，国家航天局新闻宣传中心与国家林业和草原局宣传中心、中国空间技术研究院等单位联合组织发起了陆地生态系统碳监测卫星征名活动。“句芒”“青绿”“寻木”“烛龙”“神农”… … 每一个网友投稿的名称和其背后的释义都饱含大家对绿色生态环境的渴望和对中华传统文化的喜爱。最终，“句芒”从近5000个投稿中脱颖而出。“句芒号”是世界首颗森林碳汇主被动联合观测的遥感卫星，能够实现对森林植被生物量、气溶胶分布、叶绿素荧光等的高精度定量遥感测量，进而计算出森林碳汇，即“森林植被吸收并存储的二氧化碳量”。过去，林业局要摸底森林碳汇，只能用传统的监测手段：森林调查员深入山林，依次测量每棵树的高度和树木胸径，再算出碳汇。这种测量数据更新不会很及时，通常一个季度更新一次。国家航天局公布的信息显示，“句芒号”卫星在轨运行后，可提高碳汇计量的效率和精度，转变传统的人工碳汇计量手段。“句芒号”卫星运行于高度为506公里、倾角97.4度的太阳同步轨道，通过综合遥感手段实现植被生物量、大气气溶胶、植被叶绿素荧光等要素的探测和测量，将广泛应用于陆地生态系统碳监测、国家重大生态工程监测评价、大气环境监测和气候变化中气溶胶作用研究等工作。2020年9月，我国在第75届联合国大会上正式提出，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。“句芒号”成功上天后，国家航天局表示，该卫星将为我国实现碳达峰、碳中和提供遥感力量，提高我国应对全球气候变化的话语权和主导权。准、全、细、精作为“句芒号”卫星的研制团队，航天科技集团五院表示，研制团队创新性地将天基测绘“激光雷达+光学相机”为代表的主被动联合观测手段应用到森林监测中。植被高度、植被面积、叶绿素荧光和大气PM2.5含量是计算森林碳汇能力的核心数据。为精准监测森林碳汇，“句芒号”卫星配置了多波束激光雷达、多角度多光谱相机、超光谱探测仪和多角度偏振成像仪等4种载荷，以支持获取上述数据，并确保数据“准、全、细、精”。为确保植被测高结果“准”，“句芒号”利用多波束激光雷达进行植被测高。这是一个抽样测量的过程，通过计算激光到树冠以及地面的时间差得出树木的高度，而卫星一次测量发射出激光的光束数量、频次决定着测量精度。为最大程度提升植被测高的数据精度，研制团队通过数据反演、仿真分析、应用测试，最终使植被测高精度大幅提升。为确保获取植被面积“全”，准确还原森林茂密程度，研制团队为卫星设计安装了5个多光谱相机，实现对地5角度立体观测。同时，为了避免植被阴、阳面光线影响，研制团队创新性提出月球定标方法，确保5角度成像光谱响应一致。实现这些能力后，5角度多光谱相机就能帮助“句芒号”绘制一幅“立体”植被分布图。叶绿素荧光制图是“句芒号”卫星实现高精度监测的重要环节。由于叶绿素荧光的能量非常小，仅有约0.5%到2%以荧光的形式发射出来，为提升叶绿素光谱探测精“细”程度，研制团队为“句芒号”卫星设计配置了超光谱探测仪，创新性使用了光栅分光原理，将光谱分辨率较传统探测仪提升了10倍，实现了国际首次0.3纳米精细探测，能够探测到人眼所看不到的太阳光明暗细微变化。为实现大气校正数据“精”，研制团队为“句芒号”卫星配置了偏振成像仪，支持35个角度监测大气PM2.5含量，获取大气横向PM2.5含量信息。此外，研制团队还增配了大气激光雷达，用于获取大气纵向PM2.5含量信息。一横一纵，就将数据结果由二维变成了三维立体信息，更加精准。数据应用是重头2020年，《巴黎气候变化协定》通过五周年之际，联合国秘书长安东尼奥古特雷斯撰文呼吁：“每个国家、城市、金融机构和公司都应采取净零排放计划，从现在做起，走上实现这一目标的正确道路，即到2030年全球温室气体排放量比2010年的水平减少45%。”中国工程院院士、清华大学碳中和研究院院长贺克斌近日表示，截至2021年底，全球已有136个国家提出了碳中和承诺，这一范围覆盖了全球88%的二氧化碳排放、90%的GDP和85%的人口。不过，确定温室气体减排的情况，以及确定各国承诺的减排指标是否达到并不容易。有几个问题亟待弄清：大气中温室气体的总量是多少？属于人为排放的有多少？各个国家的排放量是多少？将每一项减碳措施的效果、剩余碳排放、如何实现碳中和等明确化，将每一项减排贡献真实透明地测算出来，就是碳盘点的具体任务。“在轨运行只是第一步，如何利用卫星遥感进行准确有效的监测、获取高质量数据、对数据进行科学解析以及数据产品的应用等环节才是重头戏。”中国科学院大气物理研究所碳中和研究中心副研究员杨东旭撰文称。2021年，中国科学院大气物理研究所基于我国第一颗碳卫星——全球二氧化碳监测科学实验卫星的观测数据，发布全球碳通量数据集，标志着我国已具备全球碳收支的空间定量监测能力，可以助力盘点各地碳收支核算。事实上，早在2017年，我国宣布新一代静止轨道气象卫星“风云四号”和首颗全球二氧化碳监测科学实验卫星的数据产品对全球用户免费开放，自那时起，我国成为继日本、美国之后，第三个可以提供碳卫星数据的国家。2021年7月16日，全国碳排放权交易在上海环境能源交易所股份有限公司正式开市。此前，我国已陆续启动七个碳交易试点，分别为深圳、上海、北京、广东、天津、湖北和重庆。“双碳”（碳达峰与碳中和的简称）成为全球热点后，碳交易随之升温。中投协咨询委绿创办公室副主任郭海飞称，2021年，全球主要碳市场交易额达到7600亿欧元，相比2020年增长164%。其中，欧盟排放交易体系以6830亿欧元占据全球交易额的约90%。就国内而言，“随着未来石化、化工、建材、钢铁、有色、造纸、航空、建筑等行业纳入到全球统一的碳交易市场，我国碳交易市场规模可能会超过数万亿元人民币。”郭海飞说。但市场不会一蹴而就。碳数据方案提供商行星数据CEO白纯钰公开表示，为了碳交易而购买碳数据的客户，很在意是否可以按照需求监测和分析交易的碳资产，比如最近三个月全国森林碳汇的整体变化情况——这需要卫星配套的数据反演软件快速处理各种需求。“国家队卫星的数据用户往往是国家级的科研单位，其需求主要瞄准更宏观的全球变化研究或国家层面需求，这和市场上的商业化应用很多时候并不完全匹配，这也导致没有发射能力的卫星数据应用公司即使拿到这类数据之后，可以施展的空间尚非常有限。”白纯钰称，伴随市场的成熟，对碳数据的需求必将更大，而卫星也将在实现“双碳”目标的进程中发挥更大作用。

为什么要做碳盘点？将每一项减碳措施的效果明确化，把每一项减排措施的贡献算出来 以全球变暖为主要特征的气候变化已成为全球性环境问题，对全球可持续发展带来严峻挑战。目前，国际社会已逐步达成“温室气体减排是抑制全球增温最有效途径”这一共识。 目前，世界范围内已建设了节点遍布全球的温室气体地基观测网络，包括如世界气象组织组建的全球大气地面观测网（GAW）、美国、欧洲和加拿大等国家分别建立的温室气体观测网络以及我国由国家大气本底站、国家气候观象台和国家及省级应用气象观测站等组成的中国温室气体观测网等。通过这些观测网络，人们可以得到自然排放的温室气体状况。 但这对于“双碳”目标还远远不够。确定温室气体减排的情况，以及确定各国承诺的减排指标是否达到并不容易。有几个问题亟待弄清：大气中温室气体的总量是多少？属于人为排放的有多少？各个国家的排放量是多少？将每一项减碳措施的效果、剩余碳排放、如何实现碳中和等明确化，将每一项减排贡献真实透明地测算出来，就是碳盘点的具体任务。 在全球碳计划2020年报告中，人类活动、大气、陆地与海洋生态系统的碳收支结果，包括五方面内容，即大气中CO2浓度及增量、化石燃料和工业排放、土地利用变化碳排放、陆地生态系统碳汇和海洋生态系统碳汇等。 其中，人类活动碳排放是全球碳盘点的核心任务。为了探明人类工业活动产生的碳排放，还必须确定并区分陆地和海洋生态系统吸收和释放了多少CO2，需要监测火山爆发、森林砍伐、火灾等自然释放和土地利用变化排放的CO2等。碳中和目标以及全球碳盘点的现实压力，就是利用各种先进技术和方法，来监测大气CO2浓度的时空变化及其来源，高分辨、高精度估算全球碳通量。 为了准确评估世界各国的温室气体减排情况，提高我国碳排放量评估的主动权，维护我国在全球碳盘点中的核心利益，建立自主可控的全球温室气体监测体系势在必行。 这其中，卫星遥感技术能派上大用场。卫星碳盘点有多“火”？国际卫星对地观测委员会明确提出，将在2025年形成星座业务化运行，支撑2028年全球碳盘点 基于传统地面站点的观测数据，难以准确了解温室气体的源汇变化特征和机制。而卫星遥感具有客观、连续、稳定、大范围、重复观测的优点，也正在成为新一代、国际认可的全球碳盘点方法。国际卫星对地观测委员会明确提出，将在2025年形成星座业务化运行，支撑2028年全球碳盘点。 迄今，国际上欧洲、日本、美国、加拿大和中国相继发射了具备大气CO2浓度观测能力的卫星。日本于2009年成功发射GOSAT卫星，这是第一颗专门用于大气温室气体CO2和CH4探测的卫星，至今运行良好，后续的GOSAT系列卫星则致力于实现更高精度、更强空间覆盖能力。美国在温室气体遥感探测方面走在国际前列——2021年12月，美国白宫发布了《美国空间优先框架》，明确美国将优先支持应对气候变化行动的卫星遥感计划，通过政府、私营和慈善机构之间的合作，利用地球观测数据支持美国和国际社会应对气候危机。 中国近年来在温室气体卫星遥感探测方面也是突飞猛进。2016年12月，首颗碳卫星发射，这是中国自主研制的全球大气二氧化碳观测实验卫星，其数据在全球大气CO2浓度、叶绿素荧光监测等方面取得系列重要成果。2018年5月，高分五号卫星成功发射，搭载的温室气体监测仪GMI的主要功能是定量监测CO2和CH4的全球浓度分布变化。 同时，我国还在不断酝酿新的卫星计划。未来计划发射的风云三号08星上搭载的高光谱温室气体监测仪，通过对近红外、短波红外谱段连续高精度、高光谱分辨率、高空间分辨率和高采样率观测，实现全球大气温室气体的高精度定量反演。2022年4月发射的大气环境监测卫星是国际首颗搭载CO2探测激光雷达的卫星。卫星还要掌握哪些“本领”？不仅能“看”，还要能“算” 当前卫星遥感可以探测大气CO2浓度，但是对于决策部门而言，更想了解大气CO2的来源并提取出其中来自人类活动排放的部分。这对卫星遥感系统而言是一项挑战。 利用卫星开展生态系统碳汇估算的方法主要分为三类：基于温室气体浓度探测的同化反演的“自上而下”方法、基于生态过程模型模拟的“自下而上”方法以及基于数据驱动的机器学习模型方法。然而，各种方法的碳源汇估算均存在不确定性。 总体来说，全球碳源汇的巨大不确定性既源于碳循环模式的理论和认知缺陷，又包括缺乏精细时空分辨率的观测数据。由国际地圈-生物圈计划、全球环境变化人文因素计划和世界气候研究计划共同发起了全球碳计划,其关键是准确量化全球碳循环格局和变率。我国于2010年启动的全球变化研究国家重大科学研究计划、2016年启动的国家重点研发计划“全球变化及应对”专项中，摸清生态系统碳循环均为核心任务之一。2017年立项的国家重点研发计划项目“全球生态系统碳循环关键参数立体观测与反演”，其核心任务是研制覆盖全球、参数完备、时空分辨率精细、连续一致的碳循环关键参数产品，共包含24种全球碳循环关键参数的长时间序列空间观测产品。这些丰富的碳循环关键参数产品，为陆地生态系统碳源汇的动态精细评价提供了重要基础数据。 除了提高观测数据质量与数量，还需考虑如何充分利用大量多源的观测资料，协同地面和遥感技术手段，降低模型不确定性，可以进一步提高模型估计陆地生态系统固碳速率准确性。 我们认为，全球碳同化系统是解决这一问题的有效途径。联合同化卫星和地面大气CO2浓度、站点通量数据、遥感地表参数等数据，同时优化生态系统和人为源碳通量是全球碳同化系统的发展趋势。2016年，南京大学发展了全球碳同化系统，能更好地揭示不同地区陆地碳汇的时空分布和年际变化，该系统已经具备了业务运行能力。 由于人为源碳排放和陆地生态系统碳通量混合，如何利用碳同化系统优化计算人为源碳排放，是科学家们力图解决的重要问题，也是实现碳中和目标的重要技术需求。发展区域高分辨率碳同化系统同化大气浓度观测数据，是进行人为源碳排放优化估算的有效手段。下一代碳卫星有多“高大上”？中国的碳卫星监测解决方案正在部署中 全球碳盘点不仅需要卫星遥感提供高时空分辨率大气CO2等观测数据，更需要通过观测系统与同化反演系统集成，提供高时空分辨率的大气CO2的溯源解析数据，如人为碳排放、生态系统碳源汇等。 尽管卫星探测能力得到了有效提高，但是任何单独一颗卫星都无法满足CO2和CH4全球探测的需求。根据科学目标将多颗卫星组成一个虚拟的卫星星座，开展多颗卫星组网观测是满足快速增长的全球业务化观测需求的有效途径。 同时，第二代碳卫星的核心目标是服务于全球碳盘点的清单校核，不仅要求卫星载荷系统提供宽幅、高分辨率、高精度的观测能力，还需要通过同化反演系统，监测碳通量，并区分和量化人为碳排放。 为了满足全球温室气体清单校核需求，对中国下一代碳卫星在温室气体清单校核需求目标、科学产品技术指标以及卫星组网观测能力需求方面提出了明确的要求，包括监测CO2、CH4、CO、NO2、SIF、气溶胶和N2O七种要素，并能达到较高精度；针对不同尺度设计了传感器相应的空间分辨率，在全球和热点区域分别对应2公里×2公里，0.5公里×0.5公里的空间分辨率，并且具有1天的时间分辨率，幅宽达1000公里，以满足观测需求。这对载荷研制提出了非常苛刻的要求，如何在工程技术上平衡光谱分辨率、信噪比、空间分辨率与幅宽的制约关系存在巨大挑战。在碳卫星观测要素的遥感反演算法研究基础上，结合当前载荷工程研制能力，初步确定了下一代碳卫星载荷技术指标，包括设计了NO2、O2A，弱CO2、强CO2、CH4五个吸收带，波长范围在0.4纳米至2.385纳米之间，光谱分辨率最高能达到0.12纳米。 尽管下一代碳卫星比第一颗碳卫星有巨大的飞跃和进步，但卫星成像监测也受到轨道、天气等诸多因素的影响，无法实现连续动态观测且分辨率不高，仅凭卫星遥感难以取得满意效果。因此，必须结合地基监测、航空遥感等多源数据，才能实现点源、城市、国别尺度的温室气体排放的精确估算。目前，生态环境部、中国气象局、中国科学院等机构正在组织和实施大范围地基温室气体观测任务，已初步建成、并正在逐步完善国家温室气体观测网络，温室气体卫星星座与地基网络的协同，为中国碳达峰、碳中和行动成效的科学评估与碳排放核算提供了重大机遇。 科学家提出，为了实现面向碳盘点的卫星监测目标，需要优先部署如下7个方面任务：开展下一代碳卫星研发与运行，服务于全球和重点区域碳监测需求；针对中国下一代碳卫星及载荷指标特点，结合国内外多源卫星数据，开展高精度碳监测卫星遥感科学关键技术研究和共享产品研发；面向全球碳盘点的需求，开展高时空分辨率、高精度、高时效性的碳排放清单的卫星校验方法研究；面向重要点源目标碳排放卫星监测的需求，推进重要点源碳排放卫星监测技术；面向全球碳盘点和国家碳中和需求，发展高时空分辨率、高精度、长时间序列的全球生态系统碳通量监测技术；面向全球碳盘点和国家碳中和需求，发展高时空分辨率、高精度、长时间序列的全球土地利用碳排放监测技术；围绕全球碳盘点和国家碳中和战略对空间信息技术的需求，推进碳卫星科学计划项目集成与国际合作。 面向全球碳盘点和中国双碳目标需求，需要利用卫星遥感、大数据、碳同化等先进技术和方法，实现高时空分辨率、高精度、高时频的大气温室气体浓度监测，并提供高精度、高分辨率的人为源碳排放和生态系统碳源汇科学数据，阐明大气温室气体的来源、并有效区分与量化人为源和自然源的通量贡献，建立全球、国家和热点区域的温室气体排放的监测和验证支撑技术体系。

8月15日，记者从中国科学院大气物理研究所获悉，基于我国第一颗全球二氧化碳监测科学实验卫星中国碳卫星的大气二氧化碳含量观测数据，来自该所等单位的研究人员利用先进的碳通量计算系统，获取了中国碳卫星首个全球碳通量数据集。这是一个里程碑式的结果，标志着我国具备了全球碳收支的空间定量监测能力，是国际上继日本、美国之后的第三个具备该技术的国家。相关研究成果在线发表于《大气科学进展》杂志。 二氧化碳是地球大气的重要组成部分，因其会产生较强的温室效应，被认为是造成气候变化的关键原因。为减缓二氧化碳过度排放造成的气候变化，1992年以来，《联合国气候变化框架公约》逐步对各国碳排放状态加强约束。《巴黎协定》提出，2023年起，每五年进行一次全球盘点的计划，以评估各国的实际行动在减缓气候变化中的贡献。　　“随着大气探测和模型模拟技术的飞速发展，通过大气二氧化碳浓度观测溯源碳排放的方法，被认为是评估温室气体减排成果的有效方法。”中科院大气所副研究员杨东旭说。　　大气二氧化碳浓度测量法依赖于观测和模拟。在观测方面，卫星遥感由于特殊的观测地点和方式，可以在二氧化碳全球观测中发挥较大作用，特别是在全球覆盖高分辨率的观测上，能够做到看得广、看得清；而模拟则主要是通过大气输送模型，利用高性能计算机，模拟出大气二氧化碳传输过程和每一个时刻、每一个地方大气二氧化碳的含量。　　为了观测大气中的二氧化碳浓度，日本于2009年成功发射了国际上第一颗温室气体专用探测卫星GOSAT，美国OCO-2紧随其后，于2014年发射升空。2016年12月22日，中国碳卫星在酒泉卫星发射基地成功发射升空并在轨运行，成为国际第三颗温室气体卫星，其目标是实现对全球大气二氧化碳浓度的高精度监测，为碳排放科学研究提供卫星资料。　　“有了自己的碳卫星以后，对于某一个时刻、某一个地方的二氧化碳含量，我们会得到一个观测值和一个模拟值。这两个数据必然会存在差异。为了减小误差，我们会使用‘数据同化’法，得到最接近真实的数值。”杨东旭说。　　这项研究中，研究人员将碳同化系统与全球化学输送模式相结合，成功同化卫星观测数值与模拟数值，得到了最接近真实情况的数值。研究结果表明，与先验通量相比，不确定度减少了30%—50%。　　更重要的是，利用中国碳卫星观测资料，科研人员估算了2017年5月至2018年4月共12个月的全球陆地碳净通量。估算结果与利用日本GOSAT卫星和美国OCO-2卫星资料的估算结果大体一致。这表明我国首颗碳卫星具有了全球碳通量监测的能力。　　对此，杨东旭表示，中国碳卫星是我国第一代温室气体监测专用卫星，实现了空间温室气体高精度监测的从无到有，迈开了重要且艰难的第一步。未来，我国将以碳卫星的研究成果为基础，研发新一代的温室气体监测卫星，服务于全球和我国双碳目标的实现。