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(duì)地觀測(cè)與數(shù)據(jù)中心

2.中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院/遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

3.生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心

4.安徽大學(xué)

一、引言

2020 年9 月，中國提出2030 年“碳達(dá)峰”、2060 年“碳中和”的目標(biāo)。作為全球碳排放總量占比最高的國家，中國對(duì)碳中和的承諾是全球應(yīng)對(duì)氣候變化進(jìn)程中的里程碑事件，具有巨大和深遠(yuǎn)的意義，也是中國對(duì)“人類命運(yùn)共同體”建設(shè)的最實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)。全球CO2濃度分布的空間格局和時(shí)間變化是人為活動(dòng)導(dǎo)致的CO2排放（碳源）、生態(tài)系統(tǒng)的凈碳吸收（碳匯）以及大氣傳輸作用的綜合結(jié)果。開展全球CO2監(jiān)測(cè)、解析碳源匯分布情況和變化趨勢(shì)，已成為氣候變化研究的核心科學(xué)問題之一，對(duì)于制定減排目標(biāo)和落實(shí)減排成效具有重要的支撐作用和現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)我國來說，“碳達(dá)峰、碳中和”作為時(shí)間緊迫的國家戰(zhàn)略目標(biāo)，同時(shí)也是排放與吸收的中和過程，定量化監(jiān)測(cè)、精細(xì)化評(píng)估是非常重要的環(huán)節(jié)。

相對(duì)于傳統(tǒng)的地面監(jiān)測(cè)和人工核查手段，衛(wèi)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(yōu)點(diǎn)，可以快速準(zhǔn)確的反演CH4、CO2等大氣參數(shù)的時(shí)空分布[1]，也可以精確評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力和價(jià)值。2021 年聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）第六次評(píng)估報(bào)告[2]第一工作組的報(bào)告《氣候變化2021：自然科學(xué)基礎(chǔ)》對(duì)衛(wèi)星遙感技術(shù)給予厚望：“通過衛(wèi)星遙感、地面探測(cè)傳感器等技術(shù)，拓展對(duì)溫室氣體立體觀測(cè)和網(wǎng)絡(luò)功能布局；進(jìn)一步完善氣候系統(tǒng)綜合監(jiān)測(cè)體系；基于衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，研發(fā)主要溫室氣體濃度變化產(chǎn)品，研制全球和中國區(qū)域植被、海溫、凍土、積雪長時(shí)間序列氣候數(shù)據(jù)集等?！眹鴦?wù)院2021 年10 月印發(fā)的《2030 年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》[3]也明確指出：“推進(jìn)碳排放實(shí)測(cè)技術(shù)發(fā)展，加快遙感測(cè)量、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新興技術(shù)在碳排放實(shí)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，提高統(tǒng)計(jì)核算水平?！彪S著傳感器技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星遙感的空間分辨率也越來越高，時(shí)間序列越來越完整，在碳源碳匯監(jiān)測(cè)和評(píng)估等領(lǐng)域的應(yīng)用也將越來越廣泛。

二、碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星與星載傳感器

星載CO2觀測(cè)包括熱紅外通道和短波近紅外通道兩種探測(cè)方式。2002 年歐洲航天局（ESA）發(fā)射的ENVISAT 衛(wèi)星中搭載的SCIAMACHY 傳感器[4]，首次實(shí)現(xiàn)了短波近紅外通道的全球范圍CO2遙感監(jiān)測(cè)，但由于其CO2的探測(cè)精度低于14ppm，難以滿足全球變化研究和碳盤點(diǎn)等實(shí)際需求。由日本宇宙航空開發(fā)機(jī)構(gòu)等單位研制的GOSAT 衛(wèi)星于2009 年1 月發(fā)射升空，是世界上首顆能夠業(yè)務(wù)化的全球溫室氣體探測(cè)衛(wèi)星[5]。OCO-2 衛(wèi)星由美國NASA 研制開發(fā)，其提供的主要產(chǎn)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(fā)射了全球CO2監(jiān)測(cè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（簡(jiǎn)稱：碳衛(wèi)星，TanSat）[6-7]。TanSat 搭載的高光譜溫室氣體探測(cè)儀可以觀測(cè)大氣中CO2的光譜吸收特征；同時(shí)還可以監(jiān)測(cè)全球植被葉綠素?zé)晒?，估算全球陸地植被生產(chǎn)力。2018 年5 月高分五號(hào)（GF-5）衛(wèi)星成功發(fā)射，共搭載了包括大氣主要溫室氣體監(jiān)測(cè)儀（GMI）[7]在內(nèi)的六臺(tái)有效載荷。2021 年9 月，在太原衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射的高分五號(hào)02 星作為《國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃（2015—2025 年）》中的一顆業(yè)務(wù)星，其溫室氣體監(jiān)測(cè)儀GMI-II 在GMI 的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，CO2探測(cè)通道信噪比、光譜帶寬等關(guān)鍵指標(biāo)得到進(jìn)一步的提升和改善。2022 年4 月，我國成功將大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星發(fā)射升空，該星也是全球首顆搭載主動(dòng)激光雷達(dá)CO2探測(cè)的衛(wèi)星。8 月4 日，我國首顆陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星“句芒號(hào)”發(fā)射成功，該星配置多波束激光雷達(dá)、多角度多光譜相機(jī)、超光譜探測(cè)儀等載荷，支持獲取植被高度、植被面積、大氣PM2.5 含量等數(shù)據(jù)，有助于提高碳匯計(jì)量的效率和精度。

由于覆蓋頻次、空間分辨率等指標(biāo)的不足，第一代碳衛(wèi)星在支撐全球碳盤點(diǎn)以及我國雙碳政策期望的業(yè)務(wù)應(yīng)用還有明顯差距[8]。為此，世界各國都在大力研制更精細(xì)化、主被動(dòng)結(jié)合、寬幅覆蓋的下一代碳衛(wèi)星，如英法聯(lián)合開發(fā)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(cè)衛(wèi)星（DQ-2）和下一代碳衛(wèi)星科學(xué)計(jì)劃。未來必將是一個(gè)碳衛(wèi)星及遙感監(jiān)測(cè)科學(xué)高速發(fā)展的時(shí)期。傳統(tǒng)上國內(nèi)外對(duì)于“碳”衛(wèi)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(duì)山河林田湖草沙等生態(tài)系統(tǒng)固碳能力評(píng)估的遙感手段除了需要“碳”衛(wèi)星支撐外，更需配合歸一化植被指數(shù)、凈初級(jí)生產(chǎn)力、總生產(chǎn)力以及地表覆被類型等生態(tài)參數(shù)計(jì)算而來。這些參數(shù)的衛(wèi)星觀測(cè)技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，可用于觀測(cè)這些參數(shù)的衛(wèi)星有：美國的Landsat 系列，AQRA、Terra 衛(wèi)星搭載的MODIS 載荷，以及ESA的Sentinel 系列衛(wèi)星等。

三、碳遙感的市場(chǎng)和需求分析

在氣候變化宏觀背景下和雙碳目標(biāo)的大力推動(dòng)下，我國的碳監(jiān)測(cè)市場(chǎng)空間廣闊、潛力巨大，市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到百億級(jí)。目前，中國的碳排放監(jiān)測(cè)主要模式為“政府牽頭，企業(yè)參與，多方推進(jìn)落實(shí)”。未來衛(wèi)星遙感助力我國雙碳政策可以從以下三個(gè)層面實(shí)現(xiàn)：

1.政府層面

政府作為碳市場(chǎng)的管理者，需要根據(jù)碳排放的觀測(cè)數(shù)據(jù)制定環(huán)境治理目標(biāo)和發(fā)布節(jié)能減排任務(wù)，可以期待未來各級(jí)政府每年都會(huì)發(fā)布大量的碳排放監(jiān)測(cè)招標(biāo)項(xiàng)目。因此，面向政府用戶，尤其針對(duì)全國、省、市、縣各級(jí)的發(fā)改、環(huán)保、氣象、電力、林業(yè)、農(nóng)業(yè)等政府部門，衛(wèi)星遙感可以從智慧城市下屬的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，通過建立數(shù)據(jù)引擎和軟件平臺(tái)，提供數(shù)據(jù)與軟件銷售等服務(wù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前政府層面面向“碳中和”以及利用衛(wèi)星遙感的智慧城市建設(shè)完成尚不到10%。假設(shè)以每個(gè)城市千萬級(jí)計(jì)，全國三百多個(gè)地級(jí)市的業(yè)務(wù)規(guī)模在數(shù)十億以上市值。

2.企業(yè)層面

企業(yè)作為在碳循環(huán)過程中最主要的排放單元，是未來監(jiān)測(cè)和治理的重點(diǎn)領(lǐng)域。目前，中國企業(yè)在應(yīng)對(duì)氣候變化和碳減排方面工作的總體還處在初級(jí)階段，絕大多數(shù)企業(yè)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(guī)劃。將衛(wèi)星遙感結(jié)合地面探測(cè)手段進(jìn)行配合工作，幫助企業(yè)建立碳排放的邊界核算指標(biāo)和碳中和反演產(chǎn)品，以此來量化企業(yè)的碳排放節(jié)能減排成效、平衡經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能減排之間的關(guān)系。在中國，實(shí)現(xiàn)碳中和的重點(diǎn)領(lǐng)域涉及眾多需要碳排放監(jiān)測(cè)技術(shù)支撐的企業(yè)，保守估計(jì)每年市場(chǎng)份額在數(shù)十億以上。

3.社區(qū)和個(gè)人層面

個(gè)人作為碳循環(huán)過程中最小的排放單位，也是碳市場(chǎng)的需求終端。未來，以人的健康需求為導(dǎo)向，開發(fā)面向社區(qū)和個(gè)人的碳監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，在APP、微信小程序等終端分發(fā)信息，一方面提供面向社區(qū)低碳生活的空氣質(zhì)量、水質(zhì)、植被等實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)環(huán)境情況，展現(xiàn)居住地的現(xiàn)狀和歷史演變；另一方面提供面向過敏性鼻炎、哮喘等與環(huán)境因素相關(guān)的疾病人群（我國2億人以上），可以有效地幫助用戶規(guī)劃出行路線，規(guī)?？蛇_(dá)幾十億級(jí)。

四、碳遙感的應(yīng)用領(lǐng)域

1.助力碳源（排放）精細(xì)監(jiān)測(cè)

針對(duì)人為碳排放的精細(xì)化監(jiān)測(cè)，是評(píng)估碳中和狀態(tài)的關(guān)鍵，也是國內(nèi)外主流碳衛(wèi)星研發(fā)的初衷。產(chǎn)生溫室氣體的行業(yè)和領(lǐng)域眾多，目前我國碳中和關(guān)注的八大重點(diǎn)領(lǐng)域包括電力、交通、工業(yè)、新材料、建筑、農(nóng)業(yè)、負(fù)碳排放以及信息通信與數(shù)字化，這些領(lǐng)域以后也是衛(wèi)星遙感實(shí)現(xiàn)碳盤點(diǎn)和開展典型應(yīng)用的優(yōu)先示范。碳排放遙感監(jiān)測(cè)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(fā)自上而下的溫室氣體排放清單計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)面向不同領(lǐng)域（部門）的碳排放精細(xì)化計(jì)算。

2.助力碳匯（吸收）定量核查

由于大面積宏觀監(jiān)測(cè)手段的缺失，導(dǎo)致我國碳匯總量評(píng)估的不確定性非常大，在幾十億噸（8億～30 億噸）之間波動(dòng)。長期以來，我國生態(tài)系統(tǒng)的碳匯評(píng)估在國際上沒有話語權(quán)，大大提高了未來碳中和的實(shí)現(xiàn)難度，增加了經(jīng)濟(jì)發(fā)展負(fù)擔(dān)。所以，如何促進(jìn)衛(wèi)星遙感在固碳能力監(jiān)測(cè)和第三方核查方面發(fā)揮引領(lǐng)作用，也是下一步發(fā)展的重點(diǎn)。具體而言，可以發(fā)展面向森林、草地、沙地、湖泊、濕地、河流、海洋等領(lǐng)域的高精度、高時(shí)效、高分辨率的遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)，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(jù)和技術(shù)支撐。

3.助力清潔能源高效利用

未來世界進(jìn)入雙碳時(shí)代，意味著各個(gè)國家從“資源依賴型”逐步走向“技術(shù)依賴型”。目前清潔能源的高效開發(fā)和利用，還需要精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和快速預(yù)報(bào)能力的大力支撐。通過提供面向清潔能源精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)的衛(wèi)星遙感產(chǎn)品，例如面向海上風(fēng)場(chǎng)的遙感監(jiān)測(cè)、面向光伏產(chǎn)業(yè)的太陽輻射遙感監(jiān)測(cè)、面向水電站的河流水量遙感監(jiān)測(cè)等，能夠大幅度提升并挖掘風(fēng)光水核等清潔能源的應(yīng)用潛力。

4.助力低碳社會(huì)快速發(fā)展

碳中和涉及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面，低碳未來已經(jīng)成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要方向。通過發(fā)揮衛(wèi)星遙感覆蓋廣、限制少等優(yōu)勢(shì)，可以廣泛應(yīng)用于智慧城市、企業(yè)園區(qū)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、宜居社區(qū)、個(gè)人碳足跡和碳積分等低碳社會(huì)的方方面面。

5.助力衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)下的碳指標(biāo)監(jiān)測(cè)體系制定

目前，衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)體系下的碳指標(biāo)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)制定還是相關(guān)領(lǐng)域的研究空白。為了推進(jìn)我國碳監(jiān)測(cè)體系規(guī)劃和系統(tǒng)論證，中科院空天院聯(lián)合國防科工局重大專項(xiàng)工程中心等多家單位，制定并發(fā)布了《衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)下的碳指標(biāo)監(jiān)測(cè)體系》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)（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(fā)射碳衛(wèi)星以來，利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行碳源匯觀測(cè)也僅僅發(fā)展了短短幾年，仍然存在很多問題。如：早期發(fā)射的碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星由于受整體探測(cè)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(jié)果難以反映在局部區(qū)域的碳排放變化情況和空間分布格局；碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星尚未形成系列化發(fā)展，利用衛(wèi)星進(jìn)行碳監(jiān)測(cè)應(yīng)用尚處于初期階段，在碳匯精準(zhǔn)評(píng)估、碳交易等方面的業(yè)務(wù)落地還比較欠缺等，不能滿足目前碳遙感需求。總之，衛(wèi)星遙感支撐“碳達(dá)峰、碳中和”的研究和應(yīng)用力度還需不斷加強(qiáng)。

2.碳遙感技術(shù)展望

（1）發(fā)揮國家重大遙感工程和相關(guān)遙感單位在雙碳戰(zhàn)略中的引領(lǐng)作用

為了使遙感技術(shù)更加有效助力碳源碳匯的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和定量評(píng)估，必須與國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施、航天強(qiáng)國等重大工程與重大戰(zhàn)略緊密結(jié)合，發(fā)揮相關(guān)國家級(jí)遙感單位的引領(lǐng)作用，加快我國空間信息與應(yīng)用技術(shù)發(fā)展，積極支持區(qū)域示范應(yīng)用，滿足雙碳戰(zhàn)略在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)各方面的需要。

（2）研制新一代碳監(jiān)測(cè)遙感衛(wèi)星，形成國際虛擬碳監(jiān)測(cè)星座

為了應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的氣候變化，歐美日等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)一直積極推進(jìn)新一代的碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星研發(fā)和應(yīng)用，不斷發(fā)展星載碳監(jiān)測(cè)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)體系?！笆奈濉逼陂g，我國也將重點(diǎn)研制寬視場(chǎng)、高分辨率、高精度，特別是滿足0.5ppm 大氣CO2監(jiān)測(cè)需求的溫室氣體衛(wèi)星載荷[8]。雖然新一代衛(wèi)星探測(cè)能力得到提高，但是任何單獨(dú)一顆衛(wèi)星都無法達(dá)到全球范圍精細(xì)化探測(cè)的要求。因此，需要將不同國家、不同軌道的碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星組成一個(gè)虛擬的星座，才是滿足快速增長的全球業(yè)務(wù)化觀測(cè)需求的最有效途徑。

（3）發(fā)展基于衛(wèi)星遙感的“自上而下”溫室氣體排放清單反演和校驗(yàn)技術(shù)體系

考慮到目前采用統(tǒng)計(jì)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(xì)化程度低等缺點(diǎn)，在解決污染背景下的CO2、CH4、N2O 等柱濃度定量反演的基礎(chǔ)上，需構(gòu)建 “排放-濃度”約束方法，實(shí)現(xiàn)高時(shí)空分辨率溫室氣體排放清單的快速反演。同時(shí)針對(duì)不同國家、區(qū)域、行業(yè)等應(yīng)用場(chǎng)景，研發(fā)面向統(tǒng)計(jì)核算數(shù)據(jù)的排放總量、變化趨勢(shì)、關(guān)鍵過程、空間分布的多維度校驗(yàn)技術(shù)，為未來碳排放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制和計(jì)量精度評(píng)判提供基礎(chǔ)技術(shù)參考。

（4）深化人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等新技術(shù)在碳遙感監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

碳濃度/排放與地球表面的各種生物、物理、化學(xué)參數(shù)都有著密切聯(lián)系，是一個(gè)極其復(fù)雜的循環(huán)系統(tǒng)。人工智能具有強(qiáng)大的信息處理能力，以及將復(fù)雜問題抽象化的能力。因此在遙感監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，采用AI手段來模擬碳排放和濃度之間的復(fù)雜過程，將成為未來碳監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)?？紤]到目前全球監(jiān)測(cè)溫室氣體的站點(diǎn)不足300 個(gè)，所以如何基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)碳排放統(tǒng)計(jì)核查等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的快速采集，可以為衛(wèi)星遙感提供模型建模和交叉驗(yàn)證的重要數(shù)據(jù)源?；趨^(qū)塊鏈等技術(shù)，通過構(gòu)建耦合衛(wèi)星遙感等觀測(cè)手段，能夠?qū)崿F(xiàn)碳排放數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)、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(jiān)測(cè)和評(píng)估平臺(tái)

充分發(fā)揮星空地不同觀測(cè)手段的優(yōu)勢(shì)，形成一體化立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。從星基角度，利用衛(wèi)星遙感覆蓋面廣、時(shí)間連續(xù)等特點(diǎn)，主要針對(duì)全球、國家和區(qū)域范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同時(shí)間尺度（小時(shí)、日、月、年際）的監(jiān)測(cè)和趨勢(shì)分析?？栈嵌龋饕脽o人機(jī)和車載走航等技術(shù)，針對(duì)企業(yè)園區(qū)等碳監(jiān)測(cè)核心敏感區(qū)，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化立體監(jiān)測(cè)。地基角度，通過整合地面站點(diǎn)數(shù)據(jù)、微型傳感器數(shù)據(jù)等設(shè)備和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)化的連續(xù)實(shí)時(shí)探測(cè)與解析。