衛星遙感技術助力碳中和戰略的精準監測與有效評估

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據中心

2.中國科學院空天信息創新研究院/遙感科學國家重點實驗室

3.生態環境部衛星環境應用中心

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”建設的最實質性貢獻。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）、生態系統的凈碳吸收（碳匯）以及大氣傳輸作用的綜合結果。開展全球CO2監測、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實意義。對我國來說，“碳達峰、碳中和”作為時間緊迫的國家戰略目標，同時也是排放與吸收的中和過程，定量化監測、精細化評估是非常重要的環節。

相對于傳統的地面監測和人工核查手段，衛星遙感具有覆蓋范圍廣、獲取周期短、更新速度快、限制條件少等優點，可以快速準確的反演CH4、CO2等大氣參數的時空分布[1]，也可以精確評估生態系統的固碳能力和價值。2021 年聯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》對衛星遙感技術給予厚望：“通過衛星遙感、地面探測傳感器等技術，拓展對溫室氣體立體觀測和網絡功能布局；進一步完善氣候系統綜合監測體系；基于衛星觀測數據，研發主要溫室氣體濃度變化產品，研制全球和中國區域植被、海溫、凍土、積雪長時間序列氣候數據集等。”國務院2021 年10 月印發的《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發展，加快遙感測量、大數據、云計算等新興技術在碳排放實測技術領域的應用，提高統計核算水平。”隨著傳感器技術的發展，衛星遙感的空間分辨率也越來越高，時間序列越來越完整，在碳源碳匯監測和評估等領域的應用也將越來越廣泛。

二、碳監測衛星與星載傳感器

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）發射的ENVISAT 衛星中搭載的SCIAMACHY 傳感器[4]，首次實現了短波近紅外通道的全球范圍CO2遙感監測，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機構等單位研制的GOSAT 衛星于2009 年1 月發射升空，是世界上首顆能夠業務化的全球溫室氣體探測衛星[5]。OCO-2 衛星由美國NASA 研制開發，其提供的主要產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 月成功發射了全球CO2監測科學實驗衛星（簡稱：碳衛星，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；同時還可以監測全球植被葉綠素熒光，估算全球陸地植被生產力。2018 年5 月高分五號（GF-5）衛星成功發射，共搭載了包括大氣主要溫室氣體監測儀（GMI）[7]在內的六臺有效載荷。2021 年9 月，在太原衛星發射中心發射的高分五號02 星作為《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃（2015—2025 年）》中的一顆業務星，其溫室氣體監測儀GMI-II 在GMI 的基礎上進行了優化設計，CO2探測通道信噪比、光譜帶寬等關鍵指標得到進一步的提升和改善。2022 年4 月，我國成功將大氣環境監測衛星發射升空，該星也是全球首顆搭載主動激光雷達CO2探測的衛星。8 月4 日，我國首顆陸地生態系統碳監測衛星“句芒號”發射成功，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 含量等數據，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，第一代碳衛星在支撐全球碳盤點以及我國雙碳政策期望的業務應用還有明顯差距[8]。為此，世界各國都在大力研制更精細化、主被動結合、寬幅覆蓋的下一代碳衛星，如英法聯合開發的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星（DQ-2）和下一代碳衛星科學計劃。未來必將是一個碳衛星及遙感監測科學高速發展的時期。傳統上國內外對于“碳”衛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系統固碳能力評估的遙感手段除了需要“碳”衛星支撐外，更需配合歸一化植被指數、凈初級生產力、總生產力以及地表覆被類型等生態參數計算而來。這些參數的衛星觀測技術已經相對成熟，可用于觀測這些參數的衛星有：美國的Landsat 系列，AQRA、Terra 衛星搭載的MODIS 載荷，以及ESA的Sentinel 系列衛星等。

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，我國的碳監測市場空間廣闊、潛力巨大，市場規模有望達到百億級。目前，中國的碳排放監測主要模式為“政府牽頭，企業參與，多方推進落實”。未來衛星遙感助力我國雙碳政策可以從以下三個層面實現：

1.政府層面

政府作為碳市場的管理者，需要根據碳排放的觀測數據制定環境治理目標和發布節能減排任務，可以期待未來各級政府每年都會發布大量的碳排放監測招標項目。因此，面向政府用戶，尤其針對全國、省、市、縣各級的發改、環保、氣象、電力、林業、農業等政府部門，衛星遙感可以從智慧城市下屬的業務領域，通過建立數據引擎和軟件平臺，提供數據與軟件銷售等服務。據統計，目前政府層面面向“碳中和”以及利用衛星遙感的智慧城市建設完成尚不到10%。假設以每個城市千萬級計，全國三百多個地級市的業務規模在數十億以上市值。

2.企業層面

企業作為在碳循環過程中最主要的排放單元，是未來監測和治理的重點領域。目前，中國企業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，絕大多數企業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劃。將衛星遙感結合地面探測手段進行配合工作，幫助企業建立碳排放的邊界核算指標和碳中和反演產品，以此來量化企業的碳排放節能減排成效、平衡經濟效益和節能減排之間的關系。在中國，實現碳中和的重點領域涉及眾多需要碳排放監測技術支撐的企業，保守估計每年市場份額在數十億以上。

3.社區和個人層面

個人作為碳循環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，開發面向社區和個人的碳監測產品，在APP、微信小程序等終端分發信息，一方面提供面向社區低碳生活的空氣質量、水質、植被等實時動態環境情況，展現居住地的現狀和歷史演變；另一方面提供面向過敏性鼻炎、哮喘等與環境因素相關的疾病人群（我國2億人以上），可以有效地幫助用戶規劃出行路線，規模可達幾十億級。

四、碳遙感的應用領域

1.助力碳源（排放）精細監測

針對人為碳排放的精細化監測，是評估碳中和狀態的關鍵，也是國內外主流碳衛星研發的初衷。產生溫室氣體的行業和領域眾多，目前我國碳中和關注的八大重點領域包括電力、交通、工業、新材料、建筑、農業、負碳排放以及信息通信與數字化，這些領域以后也是衛星遙感實現碳盤點和開展典型應用的優先示范。碳排放遙感監測首先需要解決CO2、CH4、N2O 等柱濃度的高精度反演；其次需要研發自上而下的溫室氣體排放清單計算方法，實現面向不同領域（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，我國生態系統的碳匯評估在國際上沒有話語權，大大提高了未來碳中和的實現難度，增加了經濟發展負擔。所以，如何促進衛星遙感在固碳能力監測和第三方核查方面發揮引領作用，也是下一步發展的重點。具體而言，可以發展面向森林、草地、沙地、湖泊、濕地、河流、海洋等領域的高精度、高時效、高分辨率的遙感監測技術，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和技術支撐。

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“技術依賴型”。目前清潔能源的高效開發和利用，還需要精準監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測和預報的衛星遙感產品，例如面向海上風場的遙感監測、面向光伏產業的太陽輻射遙感監測、面向水電站的河流水量遙感監測等，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展

碳中和涉及社會經濟的各個方面，低碳未來已經成為社會經濟發展的一個重要方向。通過發揮衛星遙感覆蓋廣、限制少等優勢，可以廣泛應用于智慧城市、企業園區、現代農業、宜居社區、個人碳足跡和碳積分等低碳社會的方方面面。

5.助力衛星對地觀測下的碳指標監測體系制定

目前，衛星對地觀測體系下的碳指標監測標準制定還是相關領域的研究空白。為了推進我國碳監測體系規劃和系統論證，中科院空天院聯合國防科工局重大專項工程中心等多家單位，制定并發布了《衛星對地觀測下的碳指標監測體系》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 月發射碳衛星以來，利用衛星數據進行碳源匯觀測也僅僅發展了短短幾年，仍然存在很多問題。如：早期發射的碳監測衛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，反演結果難以反映在局部區域的碳排放變化情況和空間分布格局；碳監測衛星尚未形成系列化發展，利用衛星進行碳監測應用尚處于初期階段，在碳匯精準評估、碳交易等方面的業務落地還比較欠缺等，不能滿足目前碳遙感需求。總之，衛星遙感支撐“碳達峰、碳中和”的研究和應用力度還需不斷加強。

2.碳遙感技術展望

（1）發揮國家重大遙感工程和相關遙感單位在雙碳戰略中的引領作用

為了使遙感技術更加有效助力碳源碳匯的精準監測和定量評估，必須與國家民用空間基礎設施、航天強國等重大工程與重大戰略緊密結合，發揮相關國家級遙感單位的引領作用，加快我國空間信息與應用技術發展，積極支持區域示范應用，滿足雙碳戰略在國民經濟建設各方面的需要。

（2）研制新一代碳監測遙感衛星，形成國際虛擬碳監測星座

為了應對日益嚴峻的氣候變化，歐美日等發達國家和地區一直積極推進新一代的碳監測衛星研發和應用，不斷發展星載碳監測的理論基礎和技術體系。“十四五”期間，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監測需求的溫室氣體衛星載荷[8]。雖然新一代衛星探測能力得到提高，但是任何單獨一顆衛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、不同軌道的碳監測衛星組成一個虛擬的星座，才是滿足快速增長的全球業務化觀測需求的最有效途徑。

（3）發展基于衛星遙感的“自上而下”溫室氣體排放清單反演和校驗技術體系

考慮到目前采用統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上，需構建 “排放-濃度”約束方法，實現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、區域、行業等應用場景，研發面向統計核算數據的排放總量、變化趨勢、關鍵過程、空間分布的多維度校驗技術，為未來碳排放監測數據的質量控制和計量精度評判提供基礎技術參考。

（4）深化人工智能、物聯網、區塊鏈等新技術在碳遙感監測中的應用

碳濃度/排放與地球表面的各種生物、物理、化學參數都有著密切聯系，是一個極其復雜的循環系統。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。因此在遙感監測的基礎上，采用AI手段來模擬碳排放和濃度之間的復雜過程，將成為未來碳監測領域的一個研究熱點。考慮到目前全球監測溫室氣體的站點不足300 個，所以如何基于物聯網、大數據等技術，實現碳排放統計核查等基礎數據的快速采集，可以為衛星遙感提供模型建模和交叉驗證的重要數據源。基于區塊鏈等技術，通過構建耦合衛星遙感等觀測手段，能夠實現碳排放數據的安全存儲、快速清洗、高效匯總、上鏈存證等功能。

（5）形成“星空地”一體化的碳監測和評估平臺

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