衛星助力碳中和

鄧之湄

2021年9月14日，“吉林一號”衛星拍攝的內蒙古自治區景色

衛星遙感正成為國際認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？相比傳統方法，衛星遙感具有客觀、連續、穩定、大范圍和可重復觀測等優點。

迄今，日本、美國和中國已相繼發射了具備大氣二氧化碳濃度觀測能力的衛星。2016年12月22日，我國首顆碳衛星、全球二氧化碳監測科學實驗衛星在酒泉衛星發射基地發射升空并在軌運行，成為國際上第三顆溫室氣體監測衛星。隨后，2018年5月9日，我國再次成功發射高分五號衛星，搭載的溫室氣體監測儀GMI的主要功能是定量監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載火箭成功發射大氣環境監測衛星，以激光監測二氧化碳濃度變化;8月又成功發射“句芒號”衛星……

仰望星空，這一顆顆衛星，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8分，我國在太原衛星發射中心使用長征四號乙遙四十運載火箭，成功將陸地生態系統碳監測衛星“句芒號”送入預定軌道。

衛星遙感因具有客觀、連續、穩定、大范圍和可重復觀測等優點，正成為新一代、國際認可的全球碳盤點方法。國際衛星對地觀測委員會明確提出，將在2025 年形成星座業務化運行， 支撐2028年全球碳盤點。

句芒，是我國古代民間神話中的木神、春神、東方之神，主管樹木的發芽生長，象征對自然環境的敬畏與責任。衛星發射前，國家航天局新聞宣傳中心與國家林業和草原局宣傳中心、中國空間技術研究院等單位聯合組織發起了陸地生態系統碳監測衛星征名活動。“句芒”“青綠”“尋木”“燭龍”“神農”……每一個網友投稿的名稱和其背后的釋義都飽含大家對綠色生態環境的渴望和對中華傳統文化的喜愛。最終，“句芒”從近5000個投稿中脫穎而出。

“句芒號”是世界首顆森林碳匯主被動聯合觀測的遙感衛星，能夠實現對森林植被生物量、氣溶膠分布、葉綠素熒光等的高精度定量遙感測量，進而計算出森林碳匯，即“森林植被吸收并存儲的二氧化碳量”。

過去，林業局要摸底森林碳匯，只能用傳統的監測手段：森林調查員深入山林，依次測量每棵樹的高度和樹木胸徑，再算出碳匯。這種測量數據更新不會很及時，通常一個季度更新一次。國家航天局公布的信息顯示，“句芒號”衛星在軌運行后，可提高碳匯計量的效率和精度，轉變傳統的人工碳匯計量手段。

“句芒號”衛星運行于高度為506公里、傾角97.4度的太陽同步軌道，通過綜合遙感手段實現植被生物量、大氣氣溶膠、植被葉綠素熒光等要素的探測和測量，將廣泛應用于陸地生態系統碳監測、國家重大生態工程監測評價、大氣環境監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屆聯合國大會上正式提出，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。“句芒號”成功上天后，國家航天局表示，該衛星將為我國實現碳達峰、碳中和提供遙感力量，提高我國應對全球氣候變化的話語權和主導權。

準、全、細、精

作為“句芒號”衛星的研制團隊，航天科技集團五院表示，研制團隊創新性地將天基測繪“激光雷達+光學相機”為代表的主被動聯合觀測手段應用到森林監測中。

植被高度、植被面積、葉綠素熒光和大氣PM2.5含量是計算森林碳匯能力的核心數據。為精準監測森林碳匯，“句芒號”衛星配置了多波束激光雷達、多角度多光譜相機、超光譜探測儀和多角度偏振成像儀等4種載荷，以支持獲取上述數據，并確保數據“準、全、細、精”。

為確保植被測高結果“準”，“句芒號”利用多波束激光雷達進行植被測高。這是一個抽樣測量的過程，通過計算激光到樹冠以及地面的時間差得出樹木的高度，而衛星一次測量發射出激光的光束數量、頻次決定著測量精度。為最大程度提升植被測高的數據精度，研制團隊通過數據反演、仿真分析、應用測試，最終使植被測高精度大幅提升。

為確保獲取植被面積“全”，準確還原森林茂密程度，研制團隊為衛星設計安裝了5個多光譜相機，實現對地5角度立體觀測。同時，為了避免植被陰、陽面光線影響，研制團隊創新性提出月球定標方法，確保5角度成像光譜響應一致。實現這些能力后，5角度多光譜相機就能幫助“句芒號”繪制一幅“立體”植被分布圖。

葉綠素熒光制圖是“句芒號”衛星實現高精度監測的重要環節。由于葉綠素熒光的能量非常小，僅有約0.5%到2%以熒光的形式發射出來，為提升葉綠素光譜探測精“細”程度，研制團隊為“句芒號”衛星設計配置了超光譜探測儀，創新性使用了光柵分光原理，將光譜分辨率較傳統探測儀提升了10倍，實現了國際首次0.3納米精細探測，能夠探測到人眼所看不到的太陽光明暗細微變化。

為實現大氣校正數據“精”，研制團隊為“句芒號”衛星配置了偏振成像儀，支持35個角度監測大氣PM2.5含量，獲取大氣橫向PM2.5含量信息。此外，研制團隊還增配了大氣激光雷達，用于獲取大氣縱向PM2.5含量信息。一橫一縱，就將數據結果由二維變成了三維立體信息，更加精準。

數據應用是重頭

2020年，《巴黎氣候變化協定》通過五周年之際，聯合國秘書長安東尼奧·古特雷斯撰文呼吁：“每個國家、城市、金融機構和公司都應采取凈零排放計劃，從現在做起，走上實現這一目標的正確道路，即到2030年全球溫室氣體排放量比2010年的水平減少45%。”

8月4日11時08分，“句芒號”在太原衛星發射中心成功發射

中國工程院院士、清華大學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是否達到并不容易。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、如何實現碳中和等明確化，將每一項減排貢獻真實透明地測算出來，就是碳盤點的具體任務。

“在軌運行只是第一步，如何利用衛星遙感進行準確有效的監測、獲取高質量數據、對數據進行科學解析以及數據產品的應用等環節才是重頭戲。”中國科學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，中國科學院大氣物理研究所基于我國第一顆碳衛星——全球二氧化碳監測科學實驗衛星的觀測數據，發布全球碳通量數據集，標志著我國已具備全球碳收支的空間定量監測能力，可以助力盤點各地碳收支核算。

事實上，早在2017年，我國宣布新一代靜止軌道氣象衛星“風云四號”和首顆全球二氧化碳監測科學實驗衛星的數據產品對全球用戶免費開放，自那時起，我國成為繼日本、美國之后，第三個可以提供碳衛星數據的國家。

2021年7月16日，全國碳排放權交易在上海環境能源交易所股份有限公司正式開市。此前，我國已陸續啟動七個碳交易試點，分別為深圳、上海、北京、廣東、天津、湖北和重慶。

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

就國內而言，“隨著未來石化、化工、建材、鋼鐵、有色、造紙、航空、建筑等行業納入到全球統一的碳交易市場，我國碳交易市場規模可能會超過數萬億元人民幣。”郭海飛說。

但市場不會一蹴而就。

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

“國家隊衛星的數據用戶往往是國家級的科研單位，其需求主要瞄準更宏觀的全球變化研究或國家層面需求，這和市場上的商業化應用很多時候并不完全匹配，這也導致沒有發射能力的衛星數據應用公司即使拿到這類數據之后，可以施展的空間尚非常有限。”白純鈺稱，伴隨市場的成熟，對碳數據的需求必將更大，而衛星也將在實現“雙碳”目標的進程中發揮更大作用。