[技术前沿]借助“天眼”定量“碳源碳汇”可信数据

俗话说，人在做，天在看。太空中的人造卫星不仅可以轻而易举观测到地球的现状及发展演变，而且能够通过分析处理接收到的遥感数据信息精准测算出某一区域二氧化碳、甲烷等气体的排放情况。将基于卫星技术的天空地一体化“碳污同源”监测技术应用于环境监测、碳排放监测、智慧城市建设等领域，可为“双碳”减排以及全球环境治理提供有力的数据支撑。

卫星技术是国家综合国力的集中体现和重要标志，是推动国防建设、科技创新和经济社会发展的战略性领域。近年来，卫星领域已经成为全球主要大国航天技术竞争、网络信息安全防护、太空和军事战略博弈的重要阵地。卫星技术在产业领域的应用主要包括卫星通信、卫星导航、卫星遥感及综合应用等，当前能够进行碳源碳汇动态监测的是卫星遥感。

传统的碳源碳汇计算主要依赖于地面观测、野外调查、统计数据分析、大气和生态系统模型模拟等方法，但这些方法都存在很大的局限性，比如地面观测的空间代表性不足，野外调查空间样本有限且耗费巨大等。目前，全球监测温室气体的地面观测站点有400多个，并且地区分布很不均匀，大多分布在发达国家和人口稠密地区。虽然观测站点数量仍在不断扩展中，但是其有限的空间代表性，导致定量理解大气温室气体的源汇分布仍存在较大问题。卫星遥感监测可以获得全球和区域的温室气体和陆地碳汇分布，具有稳定、时间序列长、空间区域广等优点，可弥补地基站点的不足，有助于提高对碳源汇和气候变化的认识。

中国科学院空天信息创新研究院研究团队近年来利用国产卫星数据对区域温室气体开展监测，对温室气体浓度和来源进行观察和分析，取得碳核查、碳管理实践的初步成功。针对温室气体排放源的多样化和监测场景的复杂性，研究团队综合卫星遥感技术、地面高光谱红外成像光谱仪监测方法、涡度相关技术和固定设备监测技术等提出“天-空-地”立体化碳监测技术体系，成为“碳污同源”气体监测技术的发展方向。通过构建“天-空-地”立体化、“动-静”结合的温室气体（CO₂、CH₄）监测网络，为城市及火电、化工、钢铁等重点行业碳排放核查、评估、核算提供依据，为碳交易提供监督、核查技术手段，为封存场地CO₂泄漏、煤矿区CH₄排放、采煤迹地CH₄泄漏、煤火CO₂排放等提供风险评价与预警技术。值得一提的是，“基于卫星技术的天空地一体化‘碳污同源’监测体系”于2023年荣获中国遥感优秀成果一等奖。研究团队以数字技术实现碳排放数据的精准监测，为各地开展双碳领域的政策制订、实施、监督、考核提供坚实的数据支撑，为碳源碳汇交易主体摸清自身碳源底数、积极参与碳汇交易提供可信的数据来源，助力我国碳达峰、碳中和事业发展。

不断进步的卫星遥感技术

卫星遥感技术是从高空通过传感器探测和接收来自目标物体的信息，从而识别物体的属性及其空间分布等特征，通过遥感技术平台获取卫星数据并分析处理接收信息的技术。卫星遥感的探测能力主要取决于星载探测仪器以及遥感反演算法。

对近地面更敏感的短波红外波段更加适合用于地面碳源碳汇动态变化的监测。搭载于ENVISAT卫星上的SCIAMACHY探测仪是首个采用短波红外吸收带作为探测波段的星载探测器。其后，日本发射的温室气体观测卫星（GOSAT）、美国发射的轨道碳观测卫星-2（OCO-2）以及我国2017年发射的中国碳卫星（TanSat）等多颗碳监测卫星都沿用这种探测波段，随着探测仪指标和反演方法的不断改进，探测精度逐步提高。2018年以前发射的第一代碳监测卫星在探测原理、探测波段、探测器定标等方面进行了多种尝试，使得探测精度不断改进和优化，获得了近10年的科学数据和初步的研究成果。但是，第一代碳监测卫星主要以技术验证和科学目标探索为主，基本采用被动遥感探测仪和窄幅观测的极轨轨道卫星，主要目的在于获得高精度的遥感数据。为了满足监测区域碳源汇的需求，2019年以来发射的第二代温室气体监测卫星主要聚焦观测空间和时间分辨率的提高。

国际上，从SCIAMACHY卫星数据处理开始研制碳监测卫星遥感反演方法，CO₂反演算法主要包括经验算法和物理反演算法两类。国内学者在第一代碳监测卫星研制期间自主研发了卫星数据的反演方法，近期在这一领域取得了突破性进展。大气物理所卫星遥感CO₂反演算法（IAPCAS）是该所团队开发的基于最优估计的全物理温室气体遥感算法，2018年该团队发布了碳卫星第一张全球 XCO₂分布图，利用碳柱浓度观测网络TCCON站点对这一结果进行了验证，结果显示平均精度为2.11ppm，达到了TanSat观测目标精度的要求。近期，在对L1B辐射光谱数据进行新的辐射校正后，对比全球20个TCCON站点，碳卫星最新反演结果的平均均方根误差（RMSE）为1.47ppm，平均偏差为-0.08 ppm，这使碳卫星数据在碳通量应用研究中向前迈进了一步。

尽管新一代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的有效途径。组网观测可以形成全球质量统一、连续的温室气体观测数据集，全方位观测温室气体浓度和源汇的时空变化特征。获得满足碳源汇监测的卫星数据集，仅有卫星探测技术的提高以及组网观测还不足，需要提高卫星XCO₂以及XCH₄反演算法的精度。

工业园区碳源碳汇动态监测

近20多年来，国内外相继发射了多颗采用短波红外吸收带作为探测波段的星载温室气体探测器，随着探测仪指标和反演方法的不断改进，探测的环境参数种类越来越多，精度也逐步提高。我国通过发展先进的定量遥感技术，推进自主的天基碳监测体系规划和系统论证，结合多尺度、多维度各型卫星系统，分阶段部署、组网运行，协同服务“双碳”监测整体目标。卫星遥感监测服务工业领域“双碳”减排，主要用于监测工业园区碳源的动态分布和工业园区碳汇的动态分布。

在工业园区碳源监测方面，主被动卫星遥感观测大气CO₂都是基于碳分子在红外波段的光谱特性。红外吸收光谱反映了红外辐射分子之间的相互作用，即分子由于吸收或反射而引起的振动和旋转状态变化。就大气而言，其主要成分N₂和O₂在红外（IR）区域是弱吸收体，而痕量气体如CO₂、H₂O或CH₄是有效的吸收体，导致地球温度升高。只有在分子具有改变它们在跃迁期间的偶极矩的能力时，红外辐射的吸收才会发生。目前GOSAT卫星和OCO-2卫星所使用的反演算法都是利用近红外辐射光谱数据获得廓线浓度加权的柱CO₂干空气混合比XCO₂。反演算法的主要组成是前向模型、反演方法和误差分析。

在工业园区碳汇监测方面，遥感技术在获取大尺度陆表参数等方面具有独特的优势，并且可以从遥感影像上直接获取到重要的生态学特征和生物生长参数，包含了植被面积、净初级生产力、净生态系统生产力等宏观参数，此外还可获取叶面积指数、冠层化学成分、冠层温度、气孔导度、光合有效辐射、植被吸收光和有效辐射、冠层结构、土壤含水量、地表温度等参数。通过遥感反演获取这些物理参数，可直接作为陆地生态系统模型的驱动变量或参量，结合遥感影像上获取的土地覆盖度或植被现状动态信息进行碳汇的研究。

天空地一体化监测“碳污”

我国生态环境问题本质上是高碳能源结构和高能耗、高碳产业结构问题，污染物与CO₂排放呈现显著同根同源性。研究表明，我国主要大气污染物排放源中，几乎所有SO2和NOx排放源、50%左右的挥发性有机物和85%左右的一次PM₂.₅（不含扬尘）排放源，都与CO₂排放源高度一致。与一些发达国家基本解决环境污染问题后再转入强化碳排放控制阶段不同，当前我国生态文明建设面临协同推进生态环境根本好转和“碳达峰，碳中和”战略任务，需要发挥后发优势，实施减污降碳协同治理，统筹推动生态环境保护和应对气候变化工作，实现环境效益、气候效益和经济效益多赢。中国科学院空天信息创新研究院研究团队以国家遥感应用工程技术研究中心先进的卫星遥感监测技术为基础，利用“天-空-地”立体化、“动-静”结合的温室气体（CO₂、CH₄）监测网络，开展了一系列工业CO₂排放监测工作，特别是在“碳污同源”监测治理过程中发挥了重要作用。

为落实北京大气环境治理行动计划，大兴区全面推进大气污染防治工作，辖区大气质量呈现明显好转，但扬尘问题仍是影响大气环境质量的重要因素，特别是裸露土地问题尤为突出。2020年初，大兴生态环境局提出采用卫星遥感手段进行精准监测的需求，为此，研究团队对大兴区内碳污类型、属性、面积等进行遥感监测与实地调查，形成涵盖大兴区区级、乡镇（街道）级的碳污同源遥感监测分类指标、方法流程等规范，制定《大兴区环境整碳污同源动态遥感监测技术规程》，为后续大兴区碳污同源监测管理的日常业务运行提供指导。北京大兴区大气污染物的实时精准监测已实际运用到第二十四届冬奥会、冬残奥运会空气质量保障及京津翼以及周边地区的空气质量监测，并获得生态环境部卫星环境应用中心的认可与表彰。

研究团队还开展了全国CO₂柱浓度遥感监测，通过收集全国范围碳排放卫星数据，基于分子光谱的产生机理与模型，建立了适配不同大气温压环境下的CO₂分子吸收谱线库，取得了典型温室气体排放点源的CO₂浓度监测数据，并辅助地面统计数据，验证数据集的可靠性。

开展了典型区域热源工业CO₂排放的卫星遥感监测，以京津冀、长三角两个经济示范区域作为项目的示范区域，搭建热源工业CO₂排放的卫星遥感监测的模型框架，并利用夜光遥感影像、人口分布数据、道路网络、移动信号等精细化数据，结合区域碳排放总量数据，构建米级尺度的碳排放降尺度模型，辅助高精度地面实测和统计数据，验证了结果的可靠性。

在开展杭州市亚运会卫星遥感监测服务项目的过程中，围绕杭州市亚运会规划中有关科技创新、生态文明建设和产业升级的重大需求，以生态文明建设引领产业结构优化，助力构建绿色产业体系，发挥中国科学院“科技智库”作用，为支持亚运会生态环境质量保障，基于最新卫星遥感监测技术，对包括传统大气污染物、温室气体、黑臭水沟、裸土等进行综合遥感监测，形成亚运期间生态环境遥感系列专题图，为亚运会生态环境精准监管工作提供了有力支撑。

除实施上述卫星遥感监测项目，研究团队还在福建南平、上海浦东、江苏无锡、内蒙古锡林浩特盟等地进行了“碳污”监测。根据实际实施结果评估，应用卫星遥感监测技术相比传统地基监测技术可以节约成本40%以上。

天空地一体化监测“碳汇”

我国陆地面积约占世界陆地总面积的6.5%，贡献了全球陆地碳汇的10%～31%，中国的绿色生态系统在未来作为碳汇的潜力巨大，到2060年，林草碳汇对国家碳中和贡献预计超过60%。林草碳汇不可替代，是国家实现碳中和的“压舱石”，也是生态产品价值转化机制的重要抓手。立足于遥感科学，通过空天地一体化协同观测，开展林业碳汇项目监测报告数据与多源激光雷达遥感数据融合研究，构建基于空天地观测的林业碳汇项目碳储量监测手段，可实现林业碳汇项目碳储量快速精准核算，为林业碳汇项目的真实性、合格性、科学性提供有效保障。

基于我国地形和气候现状，研究团队在全国范围内选择东（江苏）、西（新疆）、南（福建）、北（北京）、中（黄河流域）5个典型区域进行森林碳汇关键指标（生物量）实验，目前已完成南北示范区的实地验证，尤其在竹林碳汇的生物量估算、覆盖范围等的核算上可实现重点区域半个月更新频率、总体精度97%以上的监测水平，相比传统地面核查方式，效率可提升5倍，成本可降低一半，这些成果的技术指标都达到了国际领先水平。

为了打通卫星遥感技术在碳交易上的技术壁垒，研究团队同期也与厦门产权交易中心、海峡碳交易所、中国林业科学研究院、中国农业科学院等达成战略合作，推进技术成果的产业化落地。

致谢：感谢国家重点研发计划“国家质量基础设施体系”重点专项“碳排放监测数据质量控制关键测量技术及标准”项目（项目编号：2022YFF0606400）的支持。

本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技纵览》2024年1月刊。