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第一章 雙碳政策背景

1.1. 現(xiàn)狀分析

       自工業(yè)革命以來(lái)，由于化石燃料的燃燒、工業(yè)排放等人類(lèi)活動(dòng)的快速增加，全球大氣 CO2 濃度逐年以約 2×10－6的增速升高，已成為導(dǎo)致全球變暖的重要原因。近年來(lái)，為減緩大氣 CO2 濃度的持續(xù)升高以遏制全球變暖，各國(guó)均制定了相關(guān)減排政策。在經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展的同時(shí)，我國(guó)加快推進(jìn)綠色低碳轉(zhuǎn)型、積極參與全球氣候治理，取得了顯著成效。面對(duì)全球氣候變化和能源消耗問(wèn)題，我國(guó)積極履行國(guó)際職責(zé)，先后簽訂《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》、《京都議定書(shū)》，并在2015年巴黎氣候大會(huì)上提出“二氧化碳排放2030年左后達(dá)到峰值并爭(zhēng)取盡早達(dá)峰，單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降60%-65%。” 

       但我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型任務(wù)仍任重而道遠(yuǎn)。

       有研究顯示，能源消費(fèi)是引起碳排放增長(zhǎng)的主要原因，且兩者之間存在著長(zhǎng)期均衡的關(guān)系，即我國(guó)能源消費(fèi)每增加1%，相應(yīng)的碳排放增加0.78%；有統(tǒng)計(jì)表明，我國(guó)是全球碳排放量最高的國(guó)家，碳排放量占全球的近三分之一。2019年，全社會(huì)碳排放約105億噸，其中能源活動(dòng)碳排放約98億噸，占全社會(huì)碳排放比重約87%。能源種類(lèi)方面，燃煤發(fā)電和供熱排放占能源活動(dòng)碳排放比重44%，煤炭終端燃燒排放占比35%，石油、天然氣排放比重分別為15%、6%；能源活動(dòng)領(lǐng)域方面，能源生產(chǎn)與轉(zhuǎn)換、工業(yè)領(lǐng)域碳排放占能源活動(dòng)碳排放比重分別為47%、36%，其中工業(yè)領(lǐng)域鋼鐵、建材和化工三大高耗能產(chǎn)業(yè)占比分別達(dá)到17%、8%和6%，除此之外，交通運(yùn)輸、建筑領(lǐng)域碳排放占能源活動(dòng)碳排放比重分別為9%、8%。

1.2. 政策解析

       為遏制全球變暖的嚴(yán)峻趨勢(shì)，作為高速發(fā)展的碳排放大國(guó)，2020年9月22日第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論會(huì)上，以及2020年12月12日氣候雄心峰會(huì)上，習(xí)近平主席兩次向全世界鄭重宣布：中國(guó)提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，力爭(zhēng)2030年前碳排放達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和；到2030年，中國(guó)單位GDP二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將達(dá)到25%左右。

       目前已有127個(gè)國(guó)家承諾碳中和，這些國(guó)家的溫室氣體排放量占全球排放的50%，經(jīng)濟(jì)總量在全球的占比超過(guò)40%。歐盟和美國(guó)都表示在2050年實(shí)現(xiàn)碳中和，英國(guó)、日本、韓國(guó)等地區(qū)紛紛提出“綠色新政”，拜登將氣候變化置于內(nèi)外政策的優(yōu)先位置，更多發(fā)展中國(guó)家明確低碳轉(zhuǎn)型目標(biāo)。“綠色低碳”將成為未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的各國(guó)關(guān)鍵詞。

       碳排放峰值是指一個(gè)經(jīng)濟(jì)體（地區(qū)）二氧化碳的最大年排放值，而碳排放達(dá)峰是指碳排放量在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)達(dá)到峰值。核心是碳排放量增速持續(xù)降低直至負(fù)增長(zhǎng)。碳中和是指在一定時(shí)間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的溫室氣體排放總量，通過(guò)植樹(shù)造林、節(jié)能減排等形式，以抵消自身產(chǎn)生的二氧化碳排放量，實(shí)現(xiàn)溫室氣體“凈零排放”。核心是溫室氣體排放量的大幅降低，最終達(dá)到一個(gè)組織的一年內(nèi)所有溫室氣體排放量與溫室氣體清除量“收支平衡”。

       作為世界上最大的發(fā)展中國(guó)家，中國(guó)“3060”的決心要求僅用10年達(dá)到峰值、30年降至零排放，中和斜率會(huì)遠(yuǎn)陡峭于歐美，減排速度要超出歐盟一倍，未來(lái)40年的碳中和任務(wù)時(shí)間緊、任務(wù)重。

       碳達(dá)峰、碳中和作為具有時(shí)間緊迫性、階段性執(zhí)行的國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)，同時(shí)也是排放與吸收的收支中和過(guò)程，量化監(jiān)測(cè)跟蹤是非常重要的環(huán)節(jié)。政府需要精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和管理手段，行業(yè)和企業(yè)作為實(shí)現(xiàn)碳中和的中堅(jiān)力量，也需要監(jiān)管和自我管理、探索優(yōu)化發(fā)展的能力和工具。

       當(dāng)前，我國(guó)明確了“雙碳”（碳達(dá)峰、碳中和）的總路徑：力爭(zhēng)通過(guò)對(duì)能源、工業(yè)、交通、建筑等重點(diǎn)行業(yè)提高能源使用效率和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，推進(jìn)減排，在10年之內(nèi)，也就是2030年使碳排放達(dá)到峰值；此后，通過(guò)能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型和碳封存，用30年時(shí)間，在2060年實(shí)現(xiàn)凈零碳。碳中和的核心概念是碳排放量“收支相抵”，是指企業(yè)、團(tuán)體或個(gè)人測(cè)算在一定時(shí)間內(nèi)，直接或間接產(chǎn)生的溫室氣體排放，由植樹(shù)造林、節(jié)能減排等形式進(jìn)行抵消，實(shí)現(xiàn)零碳排放。依照這樣的概念，實(shí)現(xiàn)碳中和主要方法有兩種：（1）碳減排：遏制碳排放，節(jié)能減排，構(gòu)建低碳產(chǎn)業(yè)體系；（2）碳吸收：維護(hù)自然資源和生態(tài)環(huán)境，植樹(shù)造林，吸收碳排放。

 

第二章 “嗅碳”衛(wèi)星

       “嗅碳”衛(wèi)星是人造地球衛(wèi)星中專(zhuān)門(mén)用于對(duì)地球二氧化碳濃度測(cè)量的衛(wèi)星，“嗅碳”衛(wèi)星對(duì)二氧化碳濃度的測(cè)量精度能夠達(dá)到百萬(wàn)分之一，是人們掌握高精度二氧化碳測(cè)量數(shù)據(jù)的得力“幫手”。 目前僅有３顆“嗅碳”衛(wèi)星在太空中工作，分別是專(zhuān)門(mén)測(cè)量大氣中二氧化碳濃度的美國(guó)“軌道碳觀測(cè)者２號(hào)”、觀測(cè)大氣中二氧化碳和甲烷等濃度的日本“呼吸”號(hào)以及我國(guó)新發(fā)射的首顆碳衛(wèi)星。

2.1. OCO-2衛(wèi)星

       軌道碳觀測(cè)衛(wèi)星-2(OCO-2)是美國(guó)航空航天局(NASA)第一顆研究二氧化碳排放的衛(wèi)星。NASA希望通過(guò)OCO-2觀測(cè)了解陸地與海洋吸收之外的CO2在全球大氣中的不均勻分布，對(duì)碳排放、碳循環(huán)進(jìn)行精確地測(cè)量，提高對(duì)溫室氣體的自然來(lái)源與人為排放的理解，改善全球碳循環(huán)模型，更好地表征大氣中CO2的變化，進(jìn)而更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)全球氣候變化。

       OCO-2將均勻采樣地球陸地和海洋上空的大氣，在為期2年時(shí)間里對(duì)地球受到太陽(yáng)照射的一半?yún)^(qū)域每天進(jìn)行50萬(wàn)次采樣，以確定的精度、分辨率和覆蓋率提供區(qū)域地理分布和季節(jié)變化的完整圖像。OCO-2儀器的3個(gè)高分辨率光譜儀將對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行光學(xué)譜監(jiān)測(cè)，聚焦到不同的色帶范圍，分析測(cè)定特定顏色被CO2和氧分子吸收的情況。這些特定顏色被吸收的光量與大氣中CO2濃度成正比，研究人員將在計(jì)算模型中引入這些新數(shù)據(jù)以建立量化全球的碳源與碳匯。

       OCO-2光譜儀的設(shè)計(jì)目標(biāo)是測(cè)量太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)地表反射之后，太陽(yáng)光將兩次穿過(guò)地球大氣層。大氣層中的CO2分子和O2分子具有非常特殊的光譜特性，因此，當(dāng)光線(xiàn)抵達(dá)OCO-2衛(wèi)星有效載荷時(shí)，太陽(yáng)光將在這些特殊譜段上損失相應(yīng)的能量，OCO-2的光柵光譜儀將太陽(yáng)光散射開(kāi)來(lái)，就可以獲取相應(yīng)譜段上的CO2和O2的吸收能量，從而測(cè)量出當(dāng)?shù)卮髿庵蠧O2和O2的氣體含量。

 

表1 OCO-2載荷的性能指標(biāo)

載荷	3臺(tái)共視軸，高分辨率成像光柵光譜儀
譜段	O2波段: 0.765 μm CO2波段1: 1.61 μm CO2波段2: 2.06 μm
分析能量	> 20,000
光學(xué)系統(tǒng)快速參數(shù)	f/1.8，高信噪比
掃描幅寬（穿軌向視場(chǎng)角14 mrad）	-星下點(diǎn)幅寬10.6km（由705km軌道高度和開(kāi)縫寬度決定）
空間分辨率	1.29 km×2.25 km
載荷重量、功耗	140kg，105W

 

2.2. GOSAT衛(wèi)星

       日本環(huán)境部、日本國(guó)家環(huán)境研究所，及日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)利用溫室氣體觀測(cè)衛(wèi)星"伊吹"（GOSAT）獲得的數(shù)據(jù)和晴天觀測(cè)的數(shù)據(jù)分析，提供全球大氣中二氧化碳和甲烷的氣柱平均濃度（在垂直地表人的大氣柱中，單位面積所含相關(guān)甲烷量與干燥空氣量的體積比）的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。采用由此獲得的二氧化碳?xì)庵骄鶟舛?，用大氣傳輸模型的反解分析（逆模型解析），?lái)測(cè)算全球各區(qū)域二氧化碳的吸收和排出的凈值情況（來(lái)自自然和人為的二氧化碳的凈吸收排放）。

       日本GOSAT是世界上第一顆專(zhuān)門(mén)用于探測(cè)大氣CO2的超光譜衛(wèi)星。GOSAT的軌道高度為666km，每天繞地球14圈，回歸周期為3天，其上搭載的TANSO-FST 傳感器是一臺(tái)邁克爾遜干涉儀，可獲得3個(gè)短波紅外范圍的窄波段（0.76um、1.6 um和 2.0 um）和一個(gè)熱紅外寬波段（5.5—14.3 um）的吸收超光譜。TANSO-FST的瞬時(shí)視場(chǎng)為15.8 mrad，對(duì)應(yīng)地表水平面高度上的天底“腳印”直徑10.5 km。 TANSO-FST 獲得的超光譜波譜數(shù)據(jù)經(jīng)處理可獲得 XCO2產(chǎn)品。

       GOSAT 短波紅外 CO2二級(jí)產(chǎn)品是GOSAT單點(diǎn)觀測(cè)的大氣整層的 XCO2，它由 GOSAT 獲取的3個(gè)短波紅外吸收光譜采用最優(yōu)估計(jì)的方法反演得到。GOSAT短波紅外波譜經(jīng)云濾除及其他預(yù)處理，獲得可用于反演的無(wú)云吸收光譜，在獲取先驗(yàn)知識(shí)基礎(chǔ)上，采用最優(yōu)估計(jì)方法反演大氣 XCO2，最后經(jīng)質(zhì)量濾除，得到整層大氣的XCO2產(chǎn)品。

       觀測(cè)傳感器是GOSAT衛(wèi)星的核心部門(mén)，主要包括：傅里葉變換光譜儀（FTS）、云和氣溶膠成像儀（CAI），F(xiàn)TS用于溫室氣體探測(cè)，CAI用于同步收集云和氣溶膠信息。兩者合稱(chēng)為T(mén)ANSO（Thermal And Near-infrared Sensor for carbon Observation）

 

表2 TANSO-FTS傳感器觀測(cè)參數(shù)

波段	Band 1	Band 2	Band 3	Band 4
光譜范圍（μm）	0.758-0.775	1.56-1.72	1.92-2.08	5.56-14.3
光譜分辨率（mm）	0.2
觀測(cè)目標(biāo)	O2	CO2、CH4、H2O	CO2、CH4、H2O、卷云	CO2、CH4、卷云
極化方式	P、S			無(wú)
信噪比	>300

 

表3 TANSO-CAI主要參數(shù)

波段	Band 1	Band 2	Band 3	Band 4
光譜范圍（μm）	0.370-0.390	0.668-0.688	0.860-0.880	1.56-1.65
中心波長(zhǎng)（μm）	0.380	0.674	0.870	1.6
觀測(cè)目標(biāo)	云層、氣溶膠
觀測(cè)幅寬（km）	1000			750
星下點(diǎn)空間分辨率（m）	500			1500

 

GOSAT衛(wèi)星產(chǎn)品：

       JAXA負(fù)責(zé)將接收的原始數(shù)據(jù)（L0級(jí)數(shù)據(jù)）處理為L(zhǎng)1級(jí)光譜產(chǎn)品后，由NIES負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)處理算法、驗(yàn)證數(shù)據(jù)整理，并分發(fā)管理更高級(jí)別的數(shù)據(jù)產(chǎn)品；NOE負(fù)責(zé)推動(dòng)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的應(yīng)用。按照數(shù)據(jù)處理過(guò)程，GOSAT產(chǎn)品可以分為以下幾個(gè)級(jí)別：

       （1）L0級(jí)產(chǎn)品：地面接收站接收到的原始干涉圖、相應(yīng)的未定標(biāo)圖像數(shù)據(jù)級(jí)輔助數(shù)據(jù)。

       （2）FTS-L1A產(chǎn)品：包括原始干涉圖、定標(biāo)數(shù)據(jù)、時(shí)間記錄信息

       傳感器狀態(tài)參數(shù)和尺度轉(zhuǎn)換相關(guān)參數(shù)。

       （3）FTS-SWIR L1B產(chǎn)品：經(jīng)過(guò)相位校正、傅里葉逆變換，并經(jīng)過(guò)輻射定標(biāo)、光譜定標(biāo)、幾何定位后的短波紅外光譜數(shù)據(jù)。

       （4）FTS-TIR L1B產(chǎn)品：經(jīng)過(guò)黑體輻射定標(biāo)后的熱紅外光譜數(shù)據(jù)。

       （5）CAI L1B產(chǎn)品：經(jīng)過(guò)輻射定標(biāo)、幾何校正后的光譜數(shù)據(jù)。

       （6）FTS-SWIR L2產(chǎn)品：根據(jù)CO2和CH4吸收光譜反演得到的CO2和CH4平均柱濃度。

       （7）FTS-TIR L2產(chǎn)品：利用FTS熱紅外波段反演得到的CO2和CH4垂直廓線(xiàn)資料。

       （8）CAI L2產(chǎn)品：云標(biāo)示產(chǎn)品。

       （9）FTS L3產(chǎn)品：根據(jù)CO2和CH4濃度數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)克里金插值后得到的全球2.5°×2.5°月平均濃度分布數(shù)據(jù)。

       （10）CAI L3產(chǎn)品：包括全球輻射分布、全球反照率產(chǎn)品、NDVI、全球云及氣溶膠屬性產(chǎn)品。

       （11）L4A級(jí)產(chǎn)品：全球劃分為64個(gè)區(qū)域，利用FTS-SWIR L2數(shù)據(jù)結(jié)合地表觀測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)大氣傳輸模型反演得到的CO2月平均通量產(chǎn)品。

       （12）L4B級(jí)產(chǎn)品：基于L4A產(chǎn)品得到的全球2.5°×2.5°，6h平均三維CO2濃度產(chǎn)品。

 

2.3. TANSAT衛(wèi)星

       碳衛(wèi)星（TANSAT）是由中國(guó)自主研制的首顆全球大氣二氧化碳觀測(cè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。

       碳衛(wèi)星總質(zhì)量620千克，搭載一體化設(shè)計(jì)的兩臺(tái)科學(xué)載荷，分別是高光譜二氧化碳探測(cè)儀以及起輔助作用的多譜段云與氣溶膠探測(cè)儀。

       TANSAT衛(wèi)星主要有3種觀測(cè)模式，分別是天底模式、耀斑模式和目標(biāo)模式。探測(cè)儀器的視線(xiàn)指向當(dāng)?shù)氐淖畹忘c(diǎn)（即天底觀測(cè)模式，Nadir observation） 或者是閃爍的光點(diǎn)（即耀斑觀測(cè)模式，Glint observation），還可以瞄準(zhǔn)選定的地球表面校準(zhǔn)和驗(yàn)證點(diǎn)（即目標(biāo)觀測(cè)模式，Target observation）。Nadir觀測(cè)模式提供了最佳的水平空間分辨率，并有望在部分多云地區(qū)或地形上產(chǎn)生更多有用的 XCO2探測(cè)。Glint觀測(cè)模式在黑暗、鏡面表面有比較大的信噪比，預(yù)計(jì)在海洋上會(huì)產(chǎn)生更有用的探測(cè)結(jié)果。通常，碳衛(wèi)星在Nadir觀測(cè)模式和Glint觀測(cè)模式之間交替進(jìn)行。Target觀測(cè)是在碳衛(wèi)星驗(yàn)證點(diǎn)上進(jìn)行的，并收集成千上萬(wàn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，大量的測(cè)量減少了隨機(jī)誤差的影響，并提供了識(shí)別目標(biāo)附近XCO2場(chǎng)空間變異性的信息。

       目前，碳衛(wèi)星已經(jīng)對(duì)外共享了經(jīng)過(guò)定標(biāo)后的L1B光譜數(shù)據(jù)集，所有產(chǎn)品文件都是以層次型科學(xué)數(shù)據(jù)格式HDF-5發(fā)布。這種格式有助于創(chuàng)建邏輯數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)將數(shù)據(jù)產(chǎn)品組織到文件夾和子文件夾中，每個(gè)文件對(duì)應(yīng)一個(gè)軌道連續(xù)模式的數(shù)據(jù)集。

 

表4 中國(guó)碳衛(wèi)星技術(shù)參數(shù)表

中國(guó)碳衛(wèi)星技術(shù)參數(shù)
軌道類(lèi)型	太陽(yáng)同步軌道
軌道標(biāo)稱(chēng)高度	712千米
軌道傾角	98.16o
軌道保持偏心率	≤0.002272
軌道周期	98.89分鐘
升交點(diǎn)地方時(shí)	13:30
姿態(tài)穩(wěn)定方式	三軸穩(wěn)定
衛(wèi)星發(fā)射重量	620千克
衛(wèi)星平均功率	600瓦
衛(wèi)星在軌飛行尺寸	1.50米×1.80米×1.85米 [6]
設(shè)計(jì)壽命	3年 [12]

 

載荷設(shè)備：

       1、高光譜溫室氣體探測(cè)儀

       碳衛(wèi)星搭載了一臺(tái)高空間分辨率的高光譜溫室氣體探測(cè)儀，高光譜與高空間分辨率大氣二氧化碳探測(cè)儀(Atmospheric Carbon-dioxide Grating Spectrometer ACGS)：重約170kg，功率約為700w，其基于大氣吸收池原理，利用對(duì)地球反射的近紅外/短波紅外太陽(yáng)輻射對(duì)大氣中二氧化碳的含量進(jìn)行探測(cè)，獲取高精度的大氣吸收光譜。對(duì)吸收光譜的強(qiáng)弱進(jìn)行嚴(yán)格定量測(cè)量，綜合氣壓、溫度等輔助信息并排除大氣懸浮微粒等干擾因素，應(yīng)用反演算法即可計(jì)算出衛(wèi)星在觀測(cè)路徑上二氧化碳的柱濃度。通過(guò)對(duì)全球柱濃度的序列分析，并借助數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的一系列模型，可推演出全球二氧化碳的通量變化。本載荷采用大面積衍射光柵對(duì)吸收光譜進(jìn)行細(xì)分，能夠探測(cè)2.06μm、1.6μm、0.76μm 三個(gè)大氣吸收光譜通道，最高分辨率達(dá)到0.04nm。

       探測(cè)儀的工作原理，是在可見(jiàn)光和近紅外譜段，利用分子吸收譜線(xiàn)探測(cè)二氧化碳等溫室氣體濃度。高光譜二氧化碳探測(cè)儀設(shè)有3個(gè)通道，其中，在760納米的O2-A通道的光譜分辨率最高可以達(dá)到0.04納米，能夠捕獲植被日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒鈱?duì)Fe（758納米）和KI（771納米）兩個(gè)太陽(yáng)弗朗霍夫暗線(xiàn)的填充效應(yīng)，從而不僅能對(duì)全球大氣中二氧化碳濃度進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，還能高精度反演植被葉綠素?zé)晒?。衛(wèi)星尺度葉綠素?zé)晒饽軌蚓_估算全球植被光合生產(chǎn)力，結(jié)合同步反演的大氣二氧化碳濃度數(shù)據(jù)，二者協(xié)同將能夠極大提升全球碳源匯觀測(cè)能力。

 

表5 高空間分辨率的高光譜溫室氣體探測(cè)儀參數(shù)表

光譜范圍（nm）	通道數(shù)量	光譜分辨率（nm）	信噪比	監(jiān)測(cè)對(duì)象
758-776	1024	0.044	360	O2含量（A帶）
1594-1624	512	0.125	250	CO2含量（弱吸收帶）
2041-2081	512	0.165	180	CO2含量（強(qiáng)吸收帶）

 

2、云與氣溶膠偏振成像儀

       碳衛(wèi)星還搭載了一臺(tái)多譜段的云與氣溶膠偏振成像儀，成像儀可以測(cè)量云、大氣顆粒物等輔助信息，為科學(xué)家精確反向推演二氧化碳濃度剔除干擾因素，還可以幫助氣象學(xué)家提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，并為研究PM2.5等大氣污染成因提供重要數(shù)據(jù)支撐。

       作為中國(guó)首顆碳衛(wèi)星載荷，高光譜溫室氣體探測(cè)儀、云與氣溶膠偏振成像儀為溫室氣體排放、碳核查等領(lǐng)域的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為節(jié)能減排等宏觀決策提供數(shù)據(jù)支撐，增加了中國(guó)在國(guó)際碳排放方面的話(huà)語(yǔ)權(quán)。

 

表6 多譜段云與氣溶膠偏振成像儀參數(shù)表

中心波長(zhǎng)（nm）	光譜帶寬（nm）	極化角度	空間分辨率（m）
380	43	-	250
670	50	0°,60°,120°	250
870	30	-	250
1375	30	-	1000
1640	20	0°,60°,120°	1000

 

第三章 衛(wèi)星遙感對(duì)雙碳政策的技術(shù)支持

3.1. 熱紅外遙感數(shù)據(jù)支持

       熱紅外遙感是利用熱紅外波段研究地球物質(zhì)特性的技術(shù)手段，可以獲取地球表面溫度，在城市熱島效應(yīng)、林火監(jiān)測(cè)、旱災(zāi)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用價(jià)值。

 

表7 主要星載熱紅外傳感器

傳感器	衛(wèi)星平臺(tái)	熱紅外波段數(shù)	熱紅外光譜范圍 （μm）	空間分辨率	寬幅
ASTER高級(jí)空間熱輻射熱反射探測(cè)器	EOS (美國(guó))	5	8.125-8.475 8.475-8.825 8.925-9.275 10.25-10.95 10.95-11.65	90m	60kmx60km
AVHRR甚高分辨率輻射儀	NOAA (美國(guó))	3	3.55-3.93 10.30-11.30 11.50-12.50	1.1km	2800km
MODIS中等高分辨率成像光譜輻射儀	EOS （美國(guó)）	16	20：3.660-3.840 21：3.929-3.989 22：3.929-3.989 23：4.020-4.080 24：4.433-4.498 25：4.482-4.549 27：6.535-6.895 28：7.175-7.475 29：8.400-8.700 30：9.580-9.880 31：10.780-11.280 32：11.770-12.270 33：13.185-13.485 34：13.485-13.785 35：13.785-14.085 36：14.085-14.385	1km
ETM+/TM6	Landsat （美國(guó)）	1	10.0-12.9 10.4-12.5	60m（重采樣為30米） 120m	185kmx185km
IRS紅外相機(jī)	HJ-1A/B (中國(guó))	2	3.50 -3.90 10.5-12.5	150m 300m	720kmx720km
Landsat8 TIRS	Landsat （美國(guó)）	2	10.60-11.20 11.50-12.50	100（重采樣為30米）	185kmx185km

 

       針對(duì)雙碳政策，利用熱紅外遙感技術(shù)進(jìn)行對(duì)地溫度反演，對(duì)于監(jiān)測(cè)全球氣候變暖也被廣泛的關(guān)注，近年來(lái)，與地表溫度（LST）反演、大氣輻射傳輸有關(guān)的應(yīng)用需求增長(zhǎng)較快，大氣輻射傳輸?shù)倪^(guò)程研究與定量化反演蓬勃發(fā)展，如大氣輻射傳輸理論模型。

       此外，CO2濃度的時(shí)空分布梯度與地表碳通量呈相關(guān)關(guān)系，熱紅外波長(zhǎng)大與4微米，大氣散射輻射不僅是大氣溫度的函數(shù)，而且也是大氣內(nèi)部組成的函數(shù)。對(duì)于一個(gè)特定波長(zhǎng)，吸收系數(shù)與大氣組成、溫度和壓力有關(guān)。一般大氣對(duì)熱紅外輻射的衰減主要是由氣體分子的吸收和氣體分子、氣溶膠的散射所引起的，大氣對(duì)熱紅外的吸收體主要是CO2、水汽和O3：

       O3吸收帶為9.6微米，但于航空遙感而言，O3在低空分布較少，可以不予考慮；水在低空一般以氣態(tài)形態(tài)存在，水蒸氣在8.0-12.5微米為連續(xù)吸收帶，H2O中心吸收帶為6.3微米；CO2主要吸收帶為4.3微米、15微米，在8.0-12.5微米無(wú)強(qiáng)吸收帶，在9.4微米和10.4微米有弱吸收帶。熱紅外探測(cè)的主要估算方法是通過(guò)已知大氣溫度廓線(xiàn)推算吸收氣體濃度及吸收系數(shù)，一般來(lái)說(shuō)，隨著氣體濃度的增大，相應(yīng)的波段可探測(cè)到的大氣層也越高。通過(guò)利用已知的溫度廓線(xiàn)調(diào)整測(cè)量和模擬的輻射值，可估算吸收氣體濃度。

       通過(guò)大氣傳輸反演模型，可以估算與大氣濃度分布相一致的碳通量的空間分布，在熱紅外波段，地表溫度和大氣輻射明顯高于太陽(yáng)輻射及地表和大氣反射，但當(dāng)波長(zhǎng)小于3微米時(shí)，地球觀測(cè)衛(wèi)星儀器系統(tǒng)可以觀測(cè)太陽(yáng)輻射、地表反射以及大氣散射的輻射。反射表現(xiàn)出能夠反映輻射傳輸過(guò)程的一些波譜變化。所謂“大氣窗口”波譜段，就是透過(guò)率較高，大氣輻射隨地表反射函數(shù)而變化的波段。在其他的波段，電磁波通過(guò)大氣層時(shí)較多被吸收，測(cè)量結(jié)果是大氣吸收物質(zhì)數(shù)量的函數(shù)。高波譜分辨率觀測(cè)技術(shù)可以識(shí)別不同氣體的吸收線(xiàn)，從相對(duì)深度中獲取不同大氣分子的濃度數(shù)據(jù)。

 

圖1 不同大氣成分的大氣窗口

 

3.2. “一張圖”處理分析

       針對(duì)雙碳政策，集合遙感、土地利用、社會(huì)經(jīng)濟(jì)地理數(shù)據(jù)以及基礎(chǔ)地理信息等多源信息，共同構(gòu)建統(tǒng)一的“雙碳”時(shí)空監(jiān)管平臺(tái)，助力推進(jìn)“雙碳”與時(shí)空大數(shù)據(jù)結(jié)合，探索碳的時(shí)空分布特征，對(duì)碳排放量和空間分布、強(qiáng)度進(jìn)行量化客觀監(jiān)測(cè)和溯源，實(shí)現(xiàn)資源開(kāi)發(fā)利用的動(dòng)態(tài)監(jiān)管。

       首先，建立“雙碳”專(zhuān)題數(shù)據(jù)庫(kù)，統(tǒng)一管理多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，整合海量時(shí)空地理數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、三維動(dòng)態(tài)建模數(shù)據(jù)以及各級(jí)各類(lèi)圖表數(shù)據(jù)規(guī)范化管理，滿(mǎn)足各級(jí)各類(lèi)數(shù)據(jù)管理需要。

       其次，“雙碳”時(shí)空信息多維度分析，梳理數(shù)據(jù)與各業(yè)務(wù)流程之間的邏輯關(guān)系，加強(qiáng)空間分析能力，實(shí)現(xiàn)海量空間數(shù)據(jù)快速組織，實(shí)現(xiàn)檢查入庫(kù)、數(shù)據(jù)更新、編輯查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)輸出、交換發(fā)布等一體化數(shù)據(jù)綜合管理，增強(qiáng)快速響應(yīng)多用戶(hù)、大數(shù)據(jù)下的數(shù)據(jù)服務(wù)能力。

       最后，優(yōu)化“雙碳”時(shí)空大數(shù)據(jù)可視化展示，優(yōu)化可視化渲染效果，二維地圖與三維建模相結(jié)合，多維度展現(xiàn)“雙碳”時(shí)空分布特點(diǎn)。

 

圖2 中國(guó)大氣XCO2平均濃度示意圖

 

 

圖3 2015年全球平均二氧化碳濃度（NASA）

 

3.3. CO2氣體大氣層的柱濃度監(jiān)測(cè)

       CO2的柱平均干空氣柱濃度摩爾分?jǐn)?shù) （簡(jiǎn)稱(chēng)CO2的平均柱濃度） 是將二氧化碳柱總量用同時(shí)從O2-A帶反演得到的氧氣柱總量歸一化后得到的。因?yàn)?nbsp;O2分子在空氣中的變化十分微小，是一種被廣泛認(rèn)可的、可以準(zhǔn)確計(jì)算空氣柱含量的氣體。所以近地面CO2平均柱濃度 （干燥空氣下）可以表達(dá)為：

XCO2=CO2col/（O2col/O2mf）

       式中：XCO2表示CO2平均柱濃度（干燥空氣下），單位為mg/L；CO2col表示反演的CO2的絕對(duì)柱總量，單位為mol/cm2；O2col表示反演的O2絕對(duì)柱總量，單位為mol/cm2；O2mf為轉(zhuǎn)換常數(shù)，用于將O2的柱含量轉(zhuǎn)化為干燥空氣的柱含量，一般取值為0.2095。CO2絕對(duì)柱總量和O2絕對(duì)柱總量是分別反演得到的。

       通過(guò)嗅碳衛(wèi)星，如TANSAT，結(jié)合氣溶膠數(shù)據(jù)和HITRAN2012大氣分子吸收譜數(shù)據(jù)庫(kù)可以對(duì)CO2氣體大氣層的柱濃度進(jìn)行反演估算。

 

圖4 全球XCO2 數(shù)據(jù)時(shí)空尺度統(tǒng)合后的月均值