鄧之湄

2021年9月14日，“吉林一號(hào)”衛(wèi)星拍攝的內(nèi)蒙古自治區(qū)景色

衛(wèi)星遙感正成為國(guó)際認(rèn)可的新一代全球碳盤(pán)點(diǎn)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(tǒng)方法，衛(wèi)星遙感具有客觀、連續(xù)、穩(wěn)定、大范圍和可重復(fù)觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。

迄今，日本、美國(guó)和中國(guó)已相繼發(fā)射了具備大氣二氧化碳濃度觀測(cè)能力的衛(wèi)星。2016年12月22日，我國(guó)首顆碳衛(wèi)星、全球二氧化碳監(jiān)測(cè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射基地發(fā)射升空并在軌運(yùn)行，成為國(guó)際上第三顆溫室氣體監(jiān)測(cè)衛(wèi)星。隨后，2018年5月9日，我國(guó)再次成功發(fā)射高分五號(hào)衛(wèi)星，搭載的溫室氣體監(jiān)測(cè)儀GMI的主要功能是定量監(jiān)測(cè)二氧化碳和甲烷的全球濃度分布變化。今年4月，我國(guó)使用長(zhǎng)征四號(hào)丙運(yùn)載火箭成功發(fā)射大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星，以激光監(jiān)測(cè)二氧化碳濃度變化;8月又成功發(fā)射“句芒號(hào)”衛(wèi)星……

仰望星空，這一顆顆衛(wèi)星，成為助力碳中和的科技力量。

“句芒號(hào)”上天

2022年8月4日11時(shí)8分，我國(guó)在太原衛(wèi)星發(fā)射中心使用長(zhǎng)征四號(hào)乙遙四十運(yùn)載火箭，成功將陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星“句芒號(hào)”送入預(yù)定軌道。

衛(wèi)星遙感因具有客觀、連續(xù)、穩(wěn)定、大范圍和可重復(fù)觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，正成為新一代、國(guó)際認(rèn)可的全球碳盤(pán)點(diǎn)方法。國(guó)際衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)委員會(huì)明確提出，將在2025 年形成星座業(yè)務(wù)化運(yùn)行， 支撐2028年全球碳盤(pán)點(diǎn)。

句芒，是我國(guó)古代民間神話中的木神、春神、東方之神，主管樹(shù)木的發(fā)芽生長(zhǎng)，象征對(duì)自然環(huán)境的敬畏與責(zé)任。衛(wèi)星發(fā)射前，國(guó)家航天局新聞宣傳中心與國(guó)家林業(yè)和草原局宣傳中心、中國(guó)空間技術(shù)研究院等單位聯(lián)合組織發(fā)起了陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星征名活動(dòng)。“句芒”“青綠”“尋木”“燭龍”“神農(nóng)”……每一個(gè)網(wǎng)友投稿的名稱(chēng)和其背后的釋義都飽含大家對(duì)綠色生態(tài)環(huán)境的渴望和對(duì)中華傳統(tǒng)文化的喜愛(ài)。最終，“句芒”從近5000個(gè)投稿中脫穎而出。

“句芒號(hào)”是世界首顆森林碳匯主被動(dòng)聯(lián)合觀測(cè)的遙感衛(wèi)星，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)森林植被生物量、氣溶膠分布、葉綠素?zé)晒獾鹊母呔榷窟b感測(cè)量，進(jìn)而計(jì)算出森林碳匯，即“森林植被吸收并存儲(chǔ)的二氧化碳量”。

過(guò)去，林業(yè)局要摸底森林碳匯，只能用傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段：森林調(diào)查員深入山林，依次測(cè)量每棵樹(shù)的高度和樹(shù)木胸徑，再算出碳匯。這種測(cè)量數(shù)據(jù)更新不會(huì)很及時(shí)，通常一個(gè)季度更新一次。國(guó)家航天局公布的信息顯示，“句芒號(hào)”衛(wèi)星在軌運(yùn)行后，可提高碳匯計(jì)量的效率和精度，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的人工碳匯計(jì)量手段。

“句芒號(hào)”衛(wèi)星運(yùn)行于高度為506公里、傾角97.4度的太陽(yáng)同步軌道，通過(guò)綜合遙感手段實(shí)現(xiàn)植被生物量、大氣氣溶膠、植被葉綠素?zé)晒獾纫氐奶綔y(cè)和測(cè)量，將廣泛應(yīng)用于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)、國(guó)家重大生態(tài)工程監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)和氣候變化中氣溶膠作用研究等工作。

2020年9月，我國(guó)在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上正式提出，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和?！熬涿⑻?hào)”成功上天后，國(guó)家航天局表示，該衛(wèi)星將為我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和提供遙感力量，提高我國(guó)應(yīng)對(duì)全球氣候變化的話語(yǔ)權(quán)和主導(dǎo)權(quán)。

準(zhǔn)、全、細(xì)、精

作為“句芒號(hào)”衛(wèi)星的研制團(tuán)隊(duì)，航天科技集團(tuán)五院表示，研制團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將天基測(cè)繪“激光雷達(dá)+光學(xué)相機(jī)”為代表的主被動(dòng)聯(lián)合觀測(cè)手段應(yīng)用到森林監(jiān)測(cè)中。

植被高度、植被面積、葉綠素?zé)晒夂痛髿釶M2.5含量是計(jì)算森林碳匯能力的核心數(shù)據(jù)。為精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)森林碳匯，“句芒號(hào)”衛(wèi)星配置了多波束激光雷達(dá)、多角度多光譜相機(jī)、超光譜探測(cè)儀和多角度偏振成像儀等4種載荷，以支持獲取上述數(shù)據(jù)，并確保數(shù)據(jù)“準(zhǔn)、全、細(xì)、精”。

為確保植被測(cè)高結(jié)果“準(zhǔn)”，“句芒號(hào)”利用多波束激光雷達(dá)進(jìn)行植被測(cè)高。這是一個(gè)抽樣測(cè)量的過(guò)程，通過(guò)計(jì)算激光到樹(shù)冠以及地面的時(shí)間差得出樹(shù)木的高度，而衛(wèi)星一次測(cè)量發(fā)射出激光的光束數(shù)量、頻次決定著測(cè)量精度。為最大程度提升植被測(cè)高的數(shù)據(jù)精度，研制團(tuán)隊(duì)通過(guò)數(shù)據(jù)反演、仿真分析、應(yīng)用測(cè)試，最終使植被測(cè)高精度大幅提升。

為確保獲取植被面積“全”，準(zhǔn)確還原森林茂密程度，研制團(tuán)隊(duì)為衛(wèi)星設(shè)計(jì)安裝了5個(gè)多光譜相機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地5角度立體觀測(cè)。同時(shí)，為了避免植被陰、陽(yáng)面光線影響，研制團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出月球定標(biāo)方法，確保5角度成像光譜響應(yīng)一致。實(shí)現(xiàn)這些能力后，5角度多光譜相機(jī)就能幫助“句芒號(hào)”繪制一幅“立體”植被分布圖。

葉綠素?zé)晒庵茍D是“句芒號(hào)”衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)高精度監(jiān)測(cè)的重要環(huán)節(jié)。由于葉綠素?zé)晒獾哪芰糠浅Ｐ。瑑H有約0.5%到2%以熒光的形式發(fā)射出來(lái)，為提升葉綠素光譜探測(cè)精“細(xì)”程度，研制團(tuán)隊(duì)為“句芒號(hào)”衛(wèi)星設(shè)計(jì)配置了超光譜探測(cè)儀，創(chuàng)新性使用了光柵分光原理，將光譜分辨率較傳統(tǒng)探測(cè)儀提升了10倍，實(shí)現(xiàn)了國(guó)際首次0.3納米精細(xì)探測(cè)，能夠探測(cè)到人眼所看不到的太陽(yáng)光明暗細(xì)微變化。

為實(shí)現(xiàn)大氣校正數(shù)據(jù)“精”，研制團(tuán)隊(duì)為“句芒號(hào)”衛(wèi)星配置了偏振成像儀，支持35個(gè)角度監(jiān)測(cè)大氣PM2.5含量，獲取大氣橫向PM2.5含量信息。此外，研制團(tuán)隊(duì)還增配了大氣激光雷達(dá)，用于獲取大氣縱向PM2.5含量信息。一橫一縱，就將數(shù)據(jù)結(jié)果由二維變成了三維立體信息，更加精準(zhǔn)。

數(shù)據(jù)應(yīng)用是重頭

2020年，《巴黎氣候變化協(xié)定》通過(guò)五周年之際，聯(lián)合國(guó)秘書(shū)長(zhǎng)安東尼奧·古特雷斯撰文呼吁：“每個(gè)國(guó)家、城市、金融機(jī)構(gòu)和公司都應(yīng)采取凈零排放計(jì)劃，從現(xiàn)在做起，走上實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)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%?！?/p>

8月4日11時(shí)08分，“句芒號(hào)”在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射

中國(guó)工程院院士、清華大學(xué)碳中和研究院院長(zhǎng)賀克斌近日表示，截至2021年底，全球已有136個(gè)國(guó)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(guò)，確定溫室氣體減排的情況，以及確定各國(guó)承諾的減排指標(biāo)是否達(dá)到并不容易。有幾個(gè)問(wèn)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(gè)國(guó)家的排放量是多少？將每一項(xiàng)減碳措施的效果、剩余碳排放、如何實(shí)現(xiàn)碳中和等明確化，將每一項(xiàng)減排貢獻(xiàn)真實(shí)透明地測(cè)算出來(lái)，就是碳盤(pán)點(diǎn)的具體任務(wù)。

“在軌運(yùn)行只是第一步，如何利用衛(wèi)星遙感進(jìn)行準(zhǔn)確有效的監(jiān)測(cè)、獲取高質(zhì)量數(shù)據(jù)、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)解析以及數(shù)據(jù)產(chǎn)品的應(yīng)用等環(huán)節(jié)才是重頭戲?！敝袊?guó)科學(xué)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(chēng)。

2021年，中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所基于我國(guó)第一顆碳衛(wèi)星——全球二氧化碳監(jiān)測(cè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)布全球碳通量數(shù)據(jù)集，標(biāo)志著我國(guó)已具備全球碳收支的空間定量監(jiān)測(cè)能力，可以助力盤(pán)點(diǎn)各地碳收支核算。

事實(shí)上，早在2017年，我國(guó)宣布新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星“風(fēng)云四號(hào)”和首顆全球二氧化碳監(jiān)測(cè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)產(chǎn)品對(duì)全球用戶免費(fèi)開(kāi)放，自那時(shí)起，我國(guó)成為繼日本、美國(guó)之后，第三個(gè)可以提供碳衛(wèi)星數(shù)據(jù)的國(guó)家。

2021年7月16日，全國(guó)碳排放權(quán)交易在上海環(huán)境能源交易所股份有限公司正式開(kāi)市。此前，我國(guó)已陸續(xù)啟動(dòng)七個(gè)碳交易試點(diǎn)，分別為深圳、上海、北京、廣東、天津、湖北和重慶。

“雙碳”（碳達(dá)峰與碳中和的簡(jiǎn)稱(chēng)）成為全球熱點(diǎn)后，碳交易隨之升溫。中投協(xié)咨詢委綠創(chuàng)辦公室副主任郭海飛稱(chēng)，2021年，全球主要碳市場(chǎng)交易額達(dá)到7600億歐元，相比2020年增長(zhǎng)164%。其中，歐盟排放交易體系以6830億歐元占據(jù)全球交易額的約90%。

就國(guó)內(nèi)而言，“隨著未來(lái)石化、化工、建材、鋼鐵、有色、造紙、航空、建筑等行業(yè)納入到全球統(tǒng)一的碳交易市場(chǎng)，我國(guó)碳交易市場(chǎng)規(guī)?？赡軙?huì)超過(guò)數(shù)萬(wàn)億元人民幣?！惫ｏw說(shuō)。

但市場(chǎng)不會(huì)一蹴而就。

碳數(shù)據(jù)方案提供商行星數(shù)據(jù)CEO白純鈺公開(kāi)表示，為了碳交易而購(gòu)買(mǎi)碳數(shù)據(jù)的客戶，很在意是否可以按照需求監(jiān)測(cè)和分析交易的碳資產(chǎn)，比如最近三個(gè)月全國(guó)森林碳匯的整體變化情況——這需要衛(wèi)星配套的數(shù)據(jù)反演軟件快速處理各種需求。

“國(guó)家隊(duì)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)用戶往往是國(guó)家級(jí)的科研單位，其需求主要瞄準(zhǔn)更宏觀的全球變化研究或國(guó)家層面需求，這和市場(chǎng)上的商業(yè)化應(yīng)用很多時(shí)候并不完全匹配，這也導(dǎo)致沒(méi)有發(fā)射能力的衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用公司即使拿到這類(lèi)數(shù)據(jù)之后，可以施展的空間尚非常有限?！卑准冣暦Q(chēng)，伴隨市場(chǎng)的成熟，對(duì)碳數(shù)據(jù)的需求必將更大，而衛(wèi)星也將在實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的進(jìn)程中發(fā)揮更大作用。