[技術(shù)前沿]借助“天眼”定量“碳源碳匯”可信數(shù)據(jù)
俗話說，人在做，天在看。太空中的人造衛(wèi)星不僅可以輕而易舉觀測到地球的現(xiàn)狀及開展演變，而且能夠順利獲得分析處理接收到的遙感數(shù)據(jù)信息精準(zhǔn)測算出某一區(qū)域二氧化碳、甲烷等氣體的排放情況。將基于衛(wèi)星技術(shù)的天空地一體化“碳污同源”監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、碳排放監(jiān)測、智慧城市建設(shè)等領(lǐng)域，可為“雙碳”減排以及全球環(huán)境治理給予有力的數(shù)據(jù)支撐。
衛(wèi)星技術(shù)是國家綜合國力的集中體現(xiàn)和重要標(biāo)志，是有助于國防建設(shè)、科技創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)社會開展的戰(zhàn)略性領(lǐng)域。近年來，衛(wèi)星領(lǐng)域已經(jīng)成為全球主要大國航天技術(shù)競爭、網(wǎng)絡(luò)信息安全防護(hù)、太空和軍事戰(zhàn)略博弈的重要陣地。衛(wèi)星技術(shù)在產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星遙感及綜合應(yīng)用等，當(dāng)前能夠進(jìn)行碳源碳匯動(dòng)態(tài)監(jiān)測的是衛(wèi)星遙感。
傳統(tǒng)的碳源碳匯計(jì)算主要依賴于地面觀測、野外調(diào)查、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析、大氣和生態(tài)系統(tǒng)模型模擬等方法，但這些方法都存在很大的局限性，比如地面觀測的空間代表性不足，野外調(diào)查空間樣本有限且耗費(fèi)巨大等?，F(xiàn)在，全球監(jiān)測溫室氣體的地面觀測站點(diǎn)有400多個(gè)，并且地區(qū)分布很不均勻，大多分布在發(fā)達(dá)國家和人口稠密地區(qū)。雖然觀測站點(diǎn)數(shù)量仍在不斷擴(kuò)展中，但是其有限的空間代表性，導(dǎo)致定量理解大氣溫室氣體的源匯分布仍存在較大問題。衛(wèi)星遙感監(jiān)測可以取得全球和區(qū)域的溫室氣體和陸地碳匯分布，具有穩(wěn)定、時(shí)間序列長、空間區(qū)域廣等優(yōu)點(diǎn)，可彌補(bǔ)地基站點(diǎn)的不足，有助于提高對碳源匯和氣候變化的認(rèn)識。
中國科研實(shí)驗(yàn)室空天信息創(chuàng)新研究院研究團(tuán)隊(duì)近年來利用國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)對區(qū)域溫室氣體召開監(jiān)測，對溫室氣體濃度和來源進(jìn)行觀察和分析，取得碳核查、碳管理實(shí)踐的初步成功。針對溫室氣體排放源的多樣化和監(jiān)測場景的復(fù)雜性，研究團(tuán)隊(duì)綜合衛(wèi)星遙感技術(shù)、地面高光譜紅外成像光譜儀監(jiān)測方法、渦度相關(guān)技術(shù)和固定設(shè)備監(jiān)測技術(shù)等提出“天-空-地”立體化碳監(jiān)測技術(shù)體系，成為“碳污同源”氣體監(jiān)測技術(shù)的開展方向。順利獲得構(gòu)建“天-空-地”立體化、“動(dòng)-靜”結(jié)合的溫室氣體（CO?、CH?）監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，為城市及火電、化工、鋼鐵等重點(diǎn)行業(yè)碳排放核查、評估、核算給予依據(jù)，為碳交易給予監(jiān)督、核查技術(shù)手段，為封存場地CO?泄漏、煤礦區(qū)CH?排放、采煤跡地CH?泄漏、煤火CO?排放等給予風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)與預(yù)警技術(shù)。值得一提的是，“基于衛(wèi)星技術(shù)的天空地一體化‘碳污同源’監(jiān)測體系”于2023年榮獲中國遙感優(yōu)秀成果一等獎(jiǎng)。研究團(tuán)隊(duì)以數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)碳排放數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)監(jiān)測，為各地召開雙碳領(lǐng)域的政策制訂、實(shí)施、監(jiān)督、考核給予堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐，為碳源碳匯交易主體摸清自身碳源底數(shù)、持續(xù)參與碳匯交易給予可信的數(shù)據(jù)來源，助力我國碳達(dá)峰、碳中和事業(yè)開展。
不斷進(jìn)步的衛(wèi)星遙感技術(shù)
衛(wèi)星遙感技術(shù)是從高空順利獲得傳感器探測和接收來自目標(biāo)物體的信息，從而識別物體的屬性及其空間分布等特征，順利獲得遙感技術(shù)平臺獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)并分析處理接收信息的技術(shù)。衛(wèi)星遙感的探測能力主要取決于星載探測儀器以及遙感反演算法。
對近地面更敏感的短波紅外波段更加適合用于地面碳源碳匯動(dòng)態(tài)變化的監(jiān)測。搭載于ENVISAT衛(wèi)星上的SCIAMACHY探測儀是首個(gè)采用短波紅外吸收帶作為探測波段的星載探測器。其后，日本發(fā)射的溫室氣體觀測衛(wèi)星（GOSAT）、美國發(fā)射的軌道碳觀測衛(wèi)星-2（OCO-2）以及我國2017年發(fā)射的中國碳衛(wèi)星（TanSat）等多顆碳監(jiān)測衛(wèi)星都沿用這種探測波段，隨著探測儀指標(biāo)和反演方法的不斷改進(jìn)，探測精度逐步提高。2018年以前發(fā)射的第一代碳監(jiān)測衛(wèi)星在探測原理、探測波段、探測器定標(biāo)等方面進(jìn)行了多種嘗試，使得探測精度不斷改進(jìn)和優(yōu)化，取得了近10年的科學(xué)數(shù)據(jù)和初步的研究成果。但是，第一代碳監(jiān)測衛(wèi)星主要以技術(shù)驗(yàn)證和科學(xué)目標(biāo)探索為主，基本采用被動(dòng)遙感探測儀和窄幅觀測的極軌軌道衛(wèi)星，主要目的在于取得高精度的遙感數(shù)據(jù)。為了滿足監(jiān)測區(qū)域碳源匯的需求，2019年以來發(fā)射的第二代溫室氣體監(jiān)測衛(wèi)星主要聚焦觀測空間和時(shí)間分辨率的提高。
國際上，從SCIAMACHY衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理開始研制碳監(jiān)測衛(wèi)星遙感反演方法，CO?反演算法主要包括經(jīng)驗(yàn)算法和物理反演算法兩類。國內(nèi)學(xué)者在第一代碳監(jiān)測衛(wèi)星研制期間自主研發(fā)了衛(wèi)星數(shù)據(jù)的反演方法，近期在這一領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。大氣物理所衛(wèi)星遙感CO?反演算法（IAPCAS）是該所團(tuán)隊(duì)開發(fā)的基于最優(yōu)估計(jì)的全物理溫室氣體遙感算法，2018年該團(tuán)隊(duì)發(fā)布了碳衛(wèi)星第一張全球 XCO?分布圖，利用碳柱濃度觀測網(wǎng)絡(luò)TCCON站點(diǎn)對這一結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果顯示平均精度為2.11ppm，達(dá)到了TanSat觀測目標(biāo)精度的要求。近期，在對L1B輻射光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行新的輻射校正后，對比全球20個(gè)TCCON站點(diǎn)，碳衛(wèi)星最新反演結(jié)果的平均均方根誤差（RMSE）為1.47ppm，平均偏差為-0.08 ppm，這使碳衛(wèi)星數(shù)據(jù)在碳通量應(yīng)用研究中向前邁進(jìn)了一步。
盡管新一代衛(wèi)星探測能力得到了有效提高，但是任何單獨(dú)一顆衛(wèi)星都無法滿足CO?和CH?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(gè)虛擬的衛(wèi)星星座，召開多顆衛(wèi)星組網(wǎng)觀測是滿足快速增長的全球業(yè)務(wù)化觀測的有效途徑。組網(wǎng)觀測可以形成全球質(zhì)量統(tǒng)一、陸續(xù)在的溫室氣體觀測數(shù)據(jù)集，全方位觀測溫室氣體濃度和源匯的時(shí)空變化特征。取得滿足碳源匯監(jiān)測的衛(wèi)星數(shù)據(jù)集，僅有衛(wèi)星探測技術(shù)的提高以及組網(wǎng)觀測還不足，需要提高衛(wèi)星XCO?以及XCH?反演算法的精度。
工業(yè)園區(qū)碳源碳匯動(dòng)態(tài)監(jiān)測
近20多年來，國內(nèi)外相繼發(fā)射了多顆采用短波紅外吸收帶作為探測波段的星載溫室氣體探測器，隨著探測儀指標(biāo)和反演方法的不斷改進(jìn)，探測的環(huán)境參數(shù)種類越來越多，精度也逐步提高。我國順利獲得開展先進(jìn)的定量遙感技術(shù)，推進(jìn)自主的天基碳監(jiān)測體系規(guī)劃和系統(tǒng)論證，結(jié)合多尺度、多維度各型衛(wèi)星系統(tǒng)，分階段部署、組網(wǎng)運(yùn)行，協(xié)同服務(wù)“雙碳”監(jiān)測整體目標(biāo)。衛(wèi)星遙感監(jiān)測服務(wù)工業(yè)領(lǐng)域“雙碳”減排，主要用于監(jiān)測工業(yè)園區(qū)碳源的動(dòng)態(tài)分布和工業(yè)園區(qū)碳匯的動(dòng)態(tài)分布。
在工業(yè)園區(qū)碳源監(jiān)測方面，主被動(dòng)衛(wèi)星遙感觀測大氣CO?都是基于碳分子在紅外波段的光譜特性。紅外吸收光譜反映了紅外輻射分子之間的相互作用，即分子由于吸收或反射而引起的振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)變化。就大氣而言，其主要成分N?和O?在紅外（IR）區(qū)域是弱吸收體，而痕量氣體如CO?、H?O或CH?是有效的吸收體，導(dǎo)致地球溫度升高。只有在分子具有改變它們在躍遷期間的偶極矩的能力時(shí)，紅外輻射的吸收才會發(fā)生?，F(xiàn)在GOSAT衛(wèi)星和OCO-2衛(wèi)星所使用的反演算法都是利用近紅外輻射光譜數(shù)據(jù)取得廓線濃度加權(quán)的柱CO?干空氣混合比XCO?。反演算法的主要組成是前向模型、反演方法和誤差分析。
在工業(yè)園區(qū)碳匯監(jiān)測方面，遙感技術(shù)在獲取大尺度陸表參數(shù)等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，并且可以從遙感影像上直接獲取到重要的生態(tài)學(xué)特征和生物生長參數(shù)，包含了植被面積、凈初級生產(chǎn)力、凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力等宏觀參數(shù)，此外還可獲取葉面積指數(shù)、冠層化學(xué)成分、冠層溫度、氣孔導(dǎo)度、光合有效輻射、植被吸收光和有效輻射、冠層結(jié)構(gòu)、土壤含水量、地表溫度等參數(shù)。順利獲得遙感反演獲取這些物理參數(shù)，可直接作為陸地生態(tài)系統(tǒng)模型的驅(qū)動(dòng)變量或參量，結(jié)合遙感影像上獲取的土地覆蓋度或植被現(xiàn)狀動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行碳匯的研究。
天空地一體化監(jiān)測“碳污”
我國生態(tài)環(huán)境問題本質(zhì)上是高碳能源結(jié)構(gòu)和高能耗、高碳產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)問題，污染物與CO?排放呈現(xiàn)顯著同根同源性。研究表明，我國主要大氣污染物排放源中，幾乎所有SO2和NOx排放源、50%左右的揮發(fā)性有機(jī)物和85%左右的一次PM?.?（不含揚(yáng)塵）排放源，都與CO?排放源高度一致。與一些發(fā)達(dá)國家基本解決環(huán)境污染問題后再轉(zhuǎn)入強(qiáng)化碳排放控制階段不同，當(dāng)前我國生態(tài)文明建設(shè)面臨協(xié)同推進(jìn)生態(tài)環(huán)境根本好轉(zhuǎn)和“碳達(dá)峰，碳中和”戰(zhàn)略任務(wù)，需要發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，實(shí)施減污降碳協(xié)同治理，統(tǒng)籌有助于生態(tài)環(huán)境保護(hù)和應(yīng)對氣候變化工作，實(shí)現(xiàn)環(huán)境效益、氣候效益和經(jīng)濟(jì)效益多贏。中國科研實(shí)驗(yàn)室空天信息創(chuàng)新研究院研究團(tuán)隊(duì)以國家遙感應(yīng)用工程技術(shù)研究中心先進(jìn)的衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)為基礎(chǔ)，利用“天-空-地”立體化、“動(dòng)-靜”結(jié)合的溫室氣體（CO?、CH?）監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，召開了一系列工業(yè)CO?排放監(jiān)測工作，特別是在“碳污同源”監(jiān)測治理過程中發(fā)揮了重要作用。
為落實(shí)北京大氣環(huán)境治理行動(dòng)計(jì)劃，大興區(qū)全面推進(jìn)大氣污染防治工作，轄區(qū)大氣質(zhì)量呈現(xiàn)明顯好轉(zhuǎn)，但揚(yáng)塵問題仍是影響大氣環(huán)境質(zhì)量的重要因素，特別是裸露土地問題尤為突出。2020年初，大興生態(tài)環(huán)境局提出采用衛(wèi)星遙感手段進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測的需求，為此，研究團(tuán)隊(duì)對大興區(qū)內(nèi)碳污類型、屬性、面積等進(jìn)行遙感監(jiān)測與實(shí)地調(diào)查，形成涵蓋大興區(qū)區(qū)級、鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街道）級的碳污同源遙感監(jiān)測分類指標(biāo)、方法流程等規(guī)范，制定《大興區(qū)環(huán)境整碳污同源動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》，為后續(xù)大興區(qū)碳污同源監(jiān)測管理的日常業(yè)務(wù)運(yùn)行給予指導(dǎo)。北京大興區(qū)大氣污染物的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測已實(shí)際運(yùn)用到第二十四屆冬奧會、冬殘奧運(yùn)會空氣質(zhì)量保障及京津翼以及周邊地區(qū)的空氣質(zhì)量監(jiān)測，并取得生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心的認(rèn)可與表彰。
研究團(tuán)隊(duì)還召開了全國CO?柱濃度遙感監(jiān)測，順利獲得收集全國范圍碳排放衛(wèi)星數(shù)據(jù)，基于分子光譜的產(chǎn)生機(jī)理與模型，建立了適配不同大氣溫壓環(huán)境下的CO?分子吸收譜線庫，取得了典型溫室氣體排放點(diǎn)源的CO?濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)，并輔助地面統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證數(shù)據(jù)集的可靠性。
召開了典型區(qū)域熱源工業(yè)CO?排放的衛(wèi)星遙感監(jiān)測，以京津冀、長三角兩個(gè)經(jīng)濟(jì)示范區(qū)域作為項(xiàng)目的示范區(qū)域，搭建熱源工業(yè)CO?排放的衛(wèi)星遙感監(jiān)測的模型框架，并利用夜光遙感影像、人口分布數(shù)據(jù)、道路網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)信號等精細(xì)化數(shù)據(jù)，結(jié)合區(qū)域碳排放總量數(shù)據(jù)，構(gòu)建米級尺度的碳排放降尺度模型，輔助高精度地面實(shí)測和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了結(jié)果的可靠性。
在召開杭州市亞運(yùn)會衛(wèi)星遙感監(jiān)測服務(wù)項(xiàng)目的過程中，圍繞杭州市亞運(yùn)會規(guī)劃中有關(guān)科技創(chuàng)新、生態(tài)文明建設(shè)和產(chǎn)業(yè)升級的重大需求，以生態(tài)文明建設(shè)引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，助力構(gòu)建綠色產(chǎn)業(yè)體系，發(fā)揮中國科研實(shí)驗(yàn)室“科技智庫”作用，為支持亞運(yùn)會生態(tài)環(huán)境質(zhì)量保障，基于最新衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)，對包括傳統(tǒng)大氣污染物、溫室氣體、黑臭水溝、裸土等進(jìn)行綜合遙感監(jiān)測，形成亞運(yùn)期間生態(tài)環(huán)境遙感系列專題圖，為亞運(yùn)會生態(tài)環(huán)境精準(zhǔn)監(jiān)管工作給予了有力支撐。
除實(shí)施上述衛(wèi)星遙感監(jiān)測項(xiàng)目，研究團(tuán)隊(duì)還在福建南平、上海浦東、江蘇無錫、內(nèi)蒙古錫林浩特盟等地進(jìn)行了“碳污”監(jiān)測。根據(jù)實(shí)際實(shí)施結(jié)果評估，應(yīng)用衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)相比傳統(tǒng)地基監(jiān)測技術(shù)可以節(jié)約成本40%以上。
天空地一體化監(jiān)測“碳匯”
我國陸地面積約占世界陸地總面積的6.5%，貢獻(xiàn)了全球陸地碳匯的10%～31%，中國的綠色生態(tài)系統(tǒng)在未來作為碳匯的潛力巨大，到2060年，林草碳匯對國家碳中和貢獻(xiàn)預(yù)計(jì)超過60%。林草碳匯不可替代，是國家實(shí)現(xiàn)碳中和的“壓艙石”，也是生態(tài)產(chǎn)品價(jià)值轉(zhuǎn)化機(jī)制的重要抓手。立足于遙感科學(xué)，順利獲得空天地一體化協(xié)同觀測，召開林業(yè)碳匯項(xiàng)目監(jiān)測報(bào)告數(shù)據(jù)與多源激光雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)融合研究，構(gòu)建基于空天地觀測的林業(yè)碳匯項(xiàng)目碳儲量監(jiān)測手段，可實(shí)現(xiàn)林業(yè)碳匯項(xiàng)目碳儲量快速精準(zhǔn)核算，為林業(yè)碳匯項(xiàng)目的真實(shí)性、合格性、科學(xué)性給予有效保障。
基于我國地形和氣候現(xiàn)狀，研究團(tuán)隊(duì)在全國范圍內(nèi)選擇東（江蘇）、西（新疆）、南（福建）、北（北京）、中（黃河流域）5個(gè)典型區(qū)域進(jìn)行森林碳匯關(guān)鍵指標(biāo)（生物量）實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在已完成南北示范區(qū)的實(shí)地驗(yàn)證，尤其在竹林碳匯的生物量估算、覆蓋范圍等的核算上可實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)區(qū)域半個(gè)月更新頻率、總體精度97%以上的監(jiān)測水平，相比傳統(tǒng)地面核查方式，效率可提升5倍，成本可降低一半，這些成果的技術(shù)指標(biāo)都達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。
為了打通衛(wèi)星遙感技術(shù)在碳交易上的技術(shù)壁壘，研究團(tuán)隊(duì)同期也與廈門產(chǎn)權(quán)交易中心、海峽碳交易所、中國林業(yè)科學(xué)研究院、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院等達(dá)成戰(zhàn)略合作，推進(jìn)技術(shù)成果的產(chǎn)業(yè)化落地。
致謝：感謝國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“國家質(zhì)量基礎(chǔ)設(shè)施體系”重點(diǎn)專項(xiàng)“碳排放監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制關(guān)鍵測量技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)”項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：2022YFF0606400）的支持。
本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技縱覽》2024年1月刊。
關(guān)注微博
關(guān)注微信
關(guān)注公眾號
關(guān)注抖音號