全球碳盘点，卫星来帮忙

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实现“双碳”目标，科技是支撑。

其中，卫星遥感正在成为国际认可的新一代全球碳盘点方法——碳从哪里排放？减了多少碳？还有多少排放需要中和……精准的全球碳盘点是实现“双碳”目标的先决条件。那么，当前卫星遥感技术对全球碳盘点任务具备哪些支撑能力？中国开展全球碳盘点卫星遥感监测的重点任务是什么？我们将如何建设中国全球碳盘点卫星遥感体系？

卫星碳盘点有多“火”？

国际卫星对地观测委员会明确提出，将在2025年形成星座业务化运行，支撑2028年全球碳盘点。

基于传统地面站点的观测数据，难以准确了解温室气体的源汇变化特征和机制。而卫星遥感具有客观、连续、稳定、大范围、重复观测的优点，也正在成为新一代、国际认可的全球碳盘点方法。国际卫星对地观测委员会明确提出，将在2025年形成星座业务化运行，支撑2028年全球碳盘点。

迄今，国际上欧洲、日本、美国、加拿大和中国相继发射了具备大气CO?浓度观测能力的卫星。日本于2009年成功发射GOSAT卫星，这是第一颗专门用于大气温室气体 CO?和 CH?探测的卫星，至今运行良好，后续的GOSAT系列卫星则致力于实现更高精度、更强空间覆盖能力。美国在温室气体遥感探测方面走在国际前列——2021年12月，美国白宫发布了《美国空间优先框架》，明确美国将优先支持应对气候变化行动的卫星遥感计划，通过政府、私营和慈善机构之间的合作，利用地球观测数据支持美国和国际社会应对气候危机。

中国近年来在温室气体卫星遥感探测方面也是突飞猛进。2016年12月，首颗碳卫星发射，这是中国自主研制的全球大气二氧化碳观测实验卫星，其数据在全球大气 CO?浓度、叶绿素荧光监测等方面取得系列重要成果。2018年5月，高分五号卫星成功发射，搭载的温室气体监测仪GMI的主要功能是定量监测 CO?和 CH?的全球浓度分布变化。

同时，我国还在不断酝酿新的卫星计划。未来计划发射的风云三号08星上搭载的高光谱温室气体监测仪，通过对近红外、短波红外谱段连续高精度、高光谱分辨率、高空间分辨率和高采样率观测，实现全球大气温室气体的高精度定量反演。2022年4月发射的大气环境监测卫星是国际首颗搭载 CO?探测激光雷达的卫星。

卫星还要掌握哪些“本领”？

不仅能“看”，还要能“算”。

利用卫星开展生态系统碳汇估算的方法主要分为三类：基于温室气体浓度探测的同化反演的“自上而下”方法、基于生态过程模型模拟的“自下而上”方法以及基于数据驱动的机器学习模型方法。然而，各种方法的碳源汇估算均存在不确定性。

总体来说，全球碳源汇的巨大不确定性既源于碳循环模式的理论和认知缺陷，又包括缺乏精细时空分辨率的观测数据。由国际地圈-生物圈计划、全球环境变化人 因素计划和世界气候研究计划共同发起了全球碳计划,其关键是准确量化全球碳循环格局和变率。我国于2010年启动的全球变化研究国家重大科学研究计划、2016年启动的国家重点研发计划“全球变化及应对”专项中，摸清生态系统碳循环均为核心任务之一。2017年立项的国家重点研发计划项目“全球生态系统碳循环关键参数立体观测与反演”，其核心任务是研制覆盖全球、参数完备、时空分辨率精细、连续一致的碳循环关键参数产品，共包含24种全球碳循环关键参数的长时间序列空间观测产品。这些丰富的碳循环关键参数产品，为陆地生态系统碳源汇的动态精细评价提供了重要基础数据。

除了提高观测数据质量与数量，还需考虑如何充分利用大量多源的观测资料，协同地面和遥感技术手段，降低模型不确定性，可以进一步提高模型估计陆地生态系统固碳速率准确性。

我们认为，全球碳同化系统是解决这一问题的有效途径。联合同化卫星和地面大气 CO?浓度、站点通量数据、遥感地表参数等数据，同时优化生态系统和人为源碳通量是全球碳同化系统的发展趋势。2016年，南京大学发展了全球碳同化系统，能更好地揭示不同地区陆地碳汇的时空分布和年际变化，该系统已经具备了业务运行能力。

由于人为源碳排放和陆地生态系统碳通量混合，如何利用碳同化系统优化计算人为源碳排放，是科学家们力图解决的重要问题，也是实现碳中和目标的重要技术需求。发展区域高分辨率碳同化系统同化大气浓度观测数据，是进行人为源碳排放优化估算的有效手段。

下一代碳卫星有多“高大上”？

中国的碳卫星监测解决方案正在部署中。

全球碳盘点不仅需要卫星遥感提供高时空分辨率大气 CO?等观测数据，更需要通过观测系统与同化反演系统集成，提供高时空分辨率的大气 CO?的溯源解析数据，如人为碳排放、生态系统碳源汇等。

尽管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 CO?和 CH?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 观测是满足快速增长的全球业务化观测需求的有效途径。

同时，第二代碳卫星的核心目标是服务于全球碳盘点的清单校核，不仅要求卫星载荷系统提供宽幅、高分辨率、高精度的观测能力，还需要通过同化反演系统，监测碳通量，并区分和量化人为碳排放。

为了满足全球温室气体清单校核需求，对中国下一代碳卫星在温室气体清单校核需求目标、科学产品技术指标以及卫星组 观测能力需求方面提出了明确的要求，包括监测 CO?、 CH?、CO、 NO?、SIF、气溶胶和 N?O七种要素，并能达到较高精度；针对不同尺度设计了传感器相应的空间分辨率，在全球和热点区域分别对应2公里×2公里，0.5公里×0.5公里的空间分辨率，并且具有1天的时间分辨率，幅宽达1000公里，以满足观测需求。

这对载荷研制提出了非常苛刻的要求，如何在工程技术上平衡光谱分辨率、信噪比、空间分辨率与幅宽的制约关系存在巨大挑战。在碳卫星观测要素的遥感反演算法研究基础上，结合当前载荷工程研制能力，初步确定了下一代碳卫星载荷技术指标，包括设计了N O?、O 2A，弱 CO?、强 CO?、 CH?五个吸收带，波长范围在0.4纳米至2.385纳米之间，光谱分辨率最高能达到0.12纳米。

尽管下一代碳卫星比第一颗碳卫星有巨大的飞跃和进步，但卫星成像监测也受到轨道、天气等诸多因素的影响，无法实现连续动态观测且分辨率不高，仅凭卫星遥感难以取得满意效果。因此，必须结合地基监测、航空遥感等多源数据，才能实现点源、城市、国别尺度的温室气体排放的精确估算。目前，生态环境部、中国气象局、中国科学院等机构正在组织和实施大范围地基温室气体观测任务，已初步建成、并正在逐步完善国家温室气体观测 络，温室气体卫星星座与地基 络的协同，为中国碳达峰、碳中和行动成效的科学评估与碳排放核算提供了重大机遇。

科学家提出，为了实现面向碳盘点的卫星监测目标，需要优先部署如下7个方面任务：开展下一代碳卫星研发与运行，服务于全球和重点区域碳监测需求；针对中国下一代碳卫星及载荷指标特点，结合国内外多源卫星数据，开展高精度碳监测卫星遥感科学关键技术研究和共享产品研发；面向全球碳盘点的需求，开展高时空分辨率、高精度、高时效性的碳排放清单的卫星校验方法研究；面向重要点源目标碳排放卫星监测的需求，推进重要点源碳排放卫星监测技术；面向全球碳盘点和国家碳中和需求，发展高时空分辨率、高精度、长时间序列的全球生态系统碳通量监测技术；面向全球碳盘点和国家碳中和需求，发展高时空分辨率、高精度、长时间序列的全球土地利用碳排放监测技术；围绕全球碳盘点和国家碳中和战略对空间信息技术的需求，推进碳卫星科学计划项目集成与国际合作。

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