俗話說(shuō)，人在做，天在看。太空中的人造衛(wèi)星不僅可以輕而易舉觀測(cè)到地球的現(xiàn)狀及發(fā)展演變，而且能夠通過(guò)分析處理接收到的遙感數(shù)據(jù)信息精準(zhǔn)測(cè)算出某一區(qū)域二氧化碳、甲烷等氣體的排放情況。將基于衛(wèi)星技術(shù)的天空地一體化“碳污同源”監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、碳排放監(jiān)測(cè)、智慧城市建設(shè)等領(lǐng)域，可為“雙碳”減排以及全球環(huán)境治理提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

衛(wèi)星技術(shù)是國(guó)家綜合國(guó)力的集中體現(xiàn)和重要標(biāo)志，是推動(dòng)國(guó)防建設(shè)、科技創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的戰(zhàn)略性領(lǐng)域。近年來(lái)，衛(wèi)星領(lǐng)域已經(jīng)成為全球主要大國(guó)航天技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)、網(wǎng)絡(luò)信息安全防護(hù)、太空和軍事戰(zhàn)略博弈的重要陣地。衛(wèi)星技術(shù)在產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星遙感及綜合應(yīng)用等，當(dāng)前能夠進(jìn)行碳源碳匯動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的是衛(wèi)星遙感。

傳統(tǒng)的碳源碳匯計(jì)算主要依賴于地面觀測(cè)、野外調(diào)查、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析、大氣和生態(tài)系統(tǒng)模型模擬等方法，但這些方法都存在很大的局限性，比如地面觀測(cè)的空間代表性不足，野外調(diào)查空間樣本有限且耗費(fèi)巨大等。目前，全球監(jiān)測(cè)溫室氣體的地面觀測(cè)站點(diǎn)有400多個(gè)，并且地區(qū)分布很不均勻，大多分布在發(fā)達(dá)國(guó)家和人口稠密地區(qū)。雖然觀測(cè)站點(diǎn)數(shù)量仍在不斷擴(kuò)展中，但是其有限的空間代表性，導(dǎo)致定量理解大氣溫室氣體的源匯分布仍存在較大問(wèn)題。衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)可以獲得全球和區(qū)域的溫室氣體和陸地碳匯分布，具有穩(wěn)定、時(shí)間序列長(zhǎng)、空間區(qū)域廣等優(yōu)點(diǎn)，可彌補(bǔ)地基站點(diǎn)的不足，有助于提高對(duì)碳源匯和氣候變化的認(rèn)識(shí)。

中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院研究團(tuán)隊(duì)近年來(lái)利用國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)區(qū)域溫室氣體開展監(jiān)測(cè)，對(duì)溫室氣體濃度和來(lái)源進(jìn)行觀察和分析，取得碳核查、碳管理實(shí)踐的初步成功。針對(duì)溫室氣體排放源的多樣化和監(jiān)測(cè)場(chǎng)景的復(fù)雜性，研究團(tuán)隊(duì)綜合衛(wèi)星遙感技術(shù)、地面高光譜紅外成像光譜儀監(jiān)測(cè)方法、渦度相關(guān)技術(shù)和固定設(shè)備監(jiān)測(cè)技術(shù)等提出“天-空-地”立體化碳監(jiān)測(cè)技術(shù)體系，成為“碳污同源”氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向。通過(guò)構(gòu)建“天-空-地”立體化、“動(dòng)-靜”結(jié)合的溫室氣體（CO?、CH?）監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，為城市及火電、化工、鋼鐵等重點(diǎn)行業(yè)碳排放核查、評(píng)估、核算提供依據(jù)，為碳交易提供監(jiān)督、核查技術(shù)手段，為封存場(chǎng)地CO?泄漏、煤礦區(qū)CH?排放、采煤跡地CH?泄漏、煤火CO?排放等提供風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與預(yù)警技術(shù)。值得一提的是，“基于衛(wèi)星技術(shù)的天空地一體化‘碳污同源’監(jiān)測(cè)體系”于2023年榮獲中國(guó)遙感優(yōu)秀成果一等獎(jiǎng)。研究團(tuán)隊(duì)以數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)碳排放數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，為各地開展雙碳領(lǐng)域的政策制訂、實(shí)施、監(jiān)督、考核提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐，為碳源碳匯交易主體摸清自身碳源底數(shù)、積極參與碳匯交易提供可信的數(shù)據(jù)來(lái)源，助力我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和事業(yè)發(fā)展。

不斷進(jìn)步的衛(wèi)星遙感技術(shù)

衛(wèi)星遙感技術(shù)是從高空通過(guò)傳感器探測(cè)和接收來(lái)自目標(biāo)物體的信息，從而識(shí)別物體的屬性及其空間分布等特征，通過(guò)遙感技術(shù)平臺(tái)獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)并分析處理接收信息的技術(shù)。衛(wèi)星遙感的探測(cè)能力主要取決于星載探測(cè)儀器以及遙感反演算法。

對(duì)近地面更敏感的短波紅外波段更加適合用于地面碳源碳匯動(dòng)態(tài)變化的監(jiān)測(cè)。搭載于ENVISAT衛(wèi)星上的SCIAMACHY探測(cè)儀是首個(gè)采用短波紅外吸收帶作為探測(cè)波段的星載探測(cè)器。其后，日本發(fā)射的溫室氣體觀測(cè)衛(wèi)星（GOSAT）、美國(guó)發(fā)射的軌道碳觀測(cè)衛(wèi)星-2（OCO-2）以及我國(guó)2017年發(fā)射的中國(guó)碳衛(wèi)星（TanSat）等多顆碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星都沿用這種探測(cè)波段，隨著探測(cè)儀指標(biāo)和反演方法的不斷改進(jìn)，探測(cè)精度逐步提高。2018年以前發(fā)射的第一代碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星在探測(cè)原理、探測(cè)波段、探測(cè)器定標(biāo)等方面進(jìn)行了多種嘗試，使得探測(cè)精度不斷改進(jìn)和優(yōu)化，獲得了近10年的科學(xué)數(shù)據(jù)和初步的研究成果。但是，第一代碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星主要以技術(shù)驗(yàn)證和科學(xué)目標(biāo)探索為主，基本采用被動(dòng)遙感探測(cè)儀和窄幅觀測(cè)的極軌軌道衛(wèi)星，主要目的在于獲得高精度的遙感數(shù)據(jù)。為了滿足監(jiān)測(cè)區(qū)域碳源匯的需求，2019年以來(lái)發(fā)射的第二代溫室氣體監(jiān)測(cè)衛(wèi)星主要聚焦觀測(cè)空間和時(shí)間分辨率的提高。

國(guó)際上，從SCIAMACHY衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理開始研制碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星遙感反演方法，CO?反演算法主要包括經(jīng)驗(yàn)算法和物理反演算法兩類。國(guó)內(nèi)學(xué)者在第一代碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星研制期間自主研發(fā)了衛(wèi)星數(shù)據(jù)的反演方法，近期在這一領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。大氣物理所衛(wèi)星遙感CO?反演算法（IAPCAS）是該所團(tuán)隊(duì)開發(fā)的基于最優(yōu)估計(jì)的全物理溫室氣體遙感算法，2018年該團(tuán)隊(duì)發(fā)布了碳衛(wèi)星第一張全球 XCO?分布圖，利用碳柱濃度觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)TCCON站點(diǎn)對(duì)這一結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果顯示平均精度為2.11ppm，達(dá)到了TanSat觀測(cè)目標(biāo)精度的要求。近期，在對(duì)L1B輻射光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行新的輻射校正后，對(duì)比全球20個(gè)TCCON站點(diǎn)，碳衛(wèi)星最新反演結(jié)果的平均均方根誤差（RMSE）為1.47ppm，平均偏差為-0.08 ppm，這使碳衛(wèi)星數(shù)據(jù)在碳通量應(yīng)用研究中向前邁進(jìn)了一步。

盡管新一代衛(wèi)星探測(cè)能力得到了有效提高，但是任何單獨(dú)一顆衛(wèi)星都無(wú)法滿足CO?和CH?全球探測(cè)的需求。根據(jù)科學(xué)目標(biāo)將多顆衛(wèi)星組成一個(gè)虛擬的衛(wèi)星星座，開展多顆衛(wèi)星組網(wǎng)觀測(cè)是滿足快速增長(zhǎng)的全球業(yè)務(wù)化觀測(cè)的有效途徑。組網(wǎng)觀測(cè)可以形成全球質(zhì)量統(tǒng)一、連續(xù)的溫室氣體觀測(cè)數(shù)據(jù)集，全方位觀測(cè)溫室氣體濃度和源匯的時(shí)空變化特征。獲得滿足碳源匯監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)集，僅有衛(wèi)星探測(cè)技術(shù)的提高以及組網(wǎng)觀測(cè)還不足，需要提高衛(wèi)星XCO?以及XCH?反演算法的精度。

工業(yè)園區(qū)碳源碳匯動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

近20多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相繼發(fā)射了多顆采用短波紅外吸收帶作為探測(cè)波段的星載溫室氣體探測(cè)器，隨著探測(cè)儀指標(biāo)和反演方法的不斷改進(jìn)，探測(cè)的環(huán)境參數(shù)種類越來(lái)越多，精度也逐步提高。我國(guó)通過(guò)發(fā)展先進(jìn)的定量遙感技術(shù)，推進(jìn)自主的天基碳監(jiān)測(cè)體系規(guī)劃和系統(tǒng)論證，結(jié)合多尺度、多維度各型衛(wèi)星系統(tǒng)，分階段部署、組網(wǎng)運(yùn)行，協(xié)同服務(wù)“雙碳”監(jiān)測(cè)整體目標(biāo)。衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)服務(wù)工業(yè)領(lǐng)域“雙碳”減排，主要用于監(jiān)測(cè)工業(yè)園區(qū)碳源的動(dòng)態(tài)分布和工業(yè)園區(qū)碳匯的動(dòng)態(tài)分布。

在工業(yè)園區(qū)碳源監(jiān)測(cè)方面，主被動(dòng)衛(wèi)星遙感觀測(cè)大氣CO?都是基于碳分子在紅外波段的光譜特性。紅外吸收光譜反映了紅外輻射分子之間的相互作用，即分子由于吸收或反射而引起的振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)變化。就大氣而言，其主要成分N?和O?在紅外（IR）區(qū)域是弱吸收體，而痕量氣體如CO?、H?O或CH?是有效的吸收體，導(dǎo)致地球溫度升高。只有在分子具有改變它們?cè)谲S遷期間的偶極矩的能力時(shí)，紅外輻射的吸收才會(huì)發(fā)生。目前GOSAT衛(wèi)星和OCO-2衛(wèi)星所使用的反演算法都是利用近紅外輻射光譜數(shù)據(jù)獲得廓線濃度加權(quán)的柱CO?干空氣混合比XCO?。反演算法的主要組成是前向模型、反演方法和誤差分析。

在工業(yè)園區(qū)碳匯監(jiān)測(cè)方面，遙感技術(shù)在獲取大尺度陸表參數(shù)等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，并且可以從遙感影像上直接獲取到重要的生態(tài)學(xué)特征和生物生長(zhǎng)參數(shù)，包含了植被面積、凈初級(jí)生產(chǎn)力、凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力等宏觀參數(shù)，此外還可獲取葉面積指數(shù)、冠層化學(xué)成分、冠層溫度、氣孔導(dǎo)度、光合有效輻射、植被吸收光和有效輻射、冠層結(jié)構(gòu)、土壤含水量、地表溫度等參數(shù)。通過(guò)遙感反演獲取這些物理參數(shù)，可直接作為陸地生態(tài)系統(tǒng)模型的驅(qū)動(dòng)變量或參量，結(jié)合遙感影像上獲取的土地覆蓋度或植被現(xiàn)狀動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行碳匯的研究。

天空地一體化監(jiān)測(cè)“碳污”

我國(guó)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題本質(zhì)上是高碳能源結(jié)構(gòu)和高能耗、高碳產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)問(wèn)題，污染物與CO?排放呈現(xiàn)顯著同根同源性。研究表明，我國(guó)主要大氣污染物排放源中，幾乎所有SO2和NOx排放源、50%左右的揮發(fā)性有機(jī)物和85%左右的一次PM?.?（不含揚(yáng)塵）排放源，都與CO?排放源高度一致。與一些發(fā)達(dá)國(guó)家基本解決環(huán)境污染問(wèn)題后再轉(zhuǎn)入強(qiáng)化碳排放控制階段不同，當(dāng)前我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)面臨協(xié)同推進(jìn)生態(tài)環(huán)境根本好轉(zhuǎn)和“碳達(dá)峰，碳中和”戰(zhàn)略任務(wù)，需要發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢(shì)，實(shí)施減污降碳協(xié)同治理，統(tǒng)籌推動(dòng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和應(yīng)對(duì)氣候變化工作，實(shí)現(xiàn)環(huán)境效益、氣候效益和經(jīng)濟(jì)效益多贏。中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院研究團(tuán)隊(duì)以國(guó)家遙感應(yīng)用工程技術(shù)研究中心先進(jìn)的衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，利用“天-空-地”立體化、“動(dòng)-靜”結(jié)合的溫室氣體（CO?、CH?）監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，開展了一系列工業(yè)CO?排放監(jiān)測(cè)工作，特別是在“碳污同源”監(jiān)測(cè)治理過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。

為落實(shí)北京大氣環(huán)境治理行動(dòng)計(jì)劃，大興區(qū)全面推進(jìn)大氣污染防治工作，轄區(qū)大氣質(zhì)量呈現(xiàn)明顯好轉(zhuǎn)，但揚(yáng)塵問(wèn)題仍是影響大氣環(huán)境質(zhì)量的重要因素，特別是裸露土地問(wèn)題尤為突出。2020年初，大興生態(tài)環(huán)境局提出采用衛(wèi)星遙感手段進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)的需求，為此，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)大興區(qū)內(nèi)碳污類型、屬性、面積等進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)與實(shí)地調(diào)查，形成涵蓋大興區(qū)區(qū)級(jí)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街道）級(jí)的碳污同源遙感監(jiān)測(cè)分類指標(biāo)、方法流程等規(guī)范，制定《大興區(qū)環(huán)境整碳污同源動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》，為后續(xù)大興區(qū)碳污同源監(jiān)測(cè)管理的日常業(yè)務(wù)運(yùn)行提供指導(dǎo)。北京大興區(qū)大氣污染物的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)已實(shí)際運(yùn)用到第二十四屆冬奧會(huì)、冬殘奧運(yùn)會(huì)空氣質(zhì)量保障及京津翼以及周邊地區(qū)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)，并獲得生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心的認(rèn)可與表彰。

研究團(tuán)隊(duì)還開展了全國(guó)CO?柱濃度遙感監(jiān)測(cè)，通過(guò)收集全國(guó)范圍碳排放衛(wèi)星數(shù)據(jù)，基于分子光譜的產(chǎn)生機(jī)理與模型，建立了適配不同大氣溫壓環(huán)境下的CO?分子吸收譜線庫(kù)，取得了典型溫室氣體排放點(diǎn)源的CO?濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并輔助地面統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證數(shù)據(jù)集的可靠性。

開展了典型區(qū)域熱源工業(yè)CO?排放的衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)，以京津冀、長(zhǎng)三角兩個(gè)經(jīng)濟(jì)示范區(qū)域作為項(xiàng)目的示范區(qū)域，搭建熱源工業(yè)CO?排放的衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)的模型框架，并利用夜光遙感影像、人口分布數(shù)據(jù)、道路網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)信號(hào)等精細(xì)化數(shù)據(jù)，結(jié)合區(qū)域碳排放總量數(shù)據(jù)，構(gòu)建米級(jí)尺度的碳排放降尺度模型，輔助高精度地面實(shí)測(cè)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了結(jié)果的可靠性。

在開展杭州市亞運(yùn)會(huì)衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)服務(wù)項(xiàng)目的過(guò)程中，圍繞杭州市亞運(yùn)會(huì)規(guī)劃中有關(guān)科技創(chuàng)新、生態(tài)文明建設(shè)和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重大需求，以生態(tài)文明建設(shè)引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，助力構(gòu)建綠色產(chǎn)業(yè)體系，發(fā)揮中國(guó)科學(xué)院“科技智庫(kù)”作用，為支持亞運(yùn)會(huì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量保障，基于最新衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)包括傳統(tǒng)大氣污染物、溫室氣體、黑臭水溝、裸土等進(jìn)行綜合遙感監(jiān)測(cè)，形成亞運(yùn)期間生態(tài)環(huán)境遙感系列專題圖，為亞運(yùn)會(huì)生態(tài)環(huán)境精準(zhǔn)監(jiān)管工作提供了有力支撐。

除實(shí)施上述衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，研究團(tuán)隊(duì)還在福建南平、上海浦東、江蘇無(wú)錫、內(nèi)蒙古錫林浩特盟等地進(jìn)行了“碳污”監(jiān)測(cè)。根據(jù)實(shí)際實(shí)施結(jié)果評(píng)估，應(yīng)用衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)相比傳統(tǒng)地基監(jiān)測(cè)技術(shù)可以節(jié)約成本40%以上。

天空地一體化監(jiān)測(cè)“碳匯”

我國(guó)陸地面積約占世界陸地總面積的6.5%，貢獻(xiàn)了全球陸地碳匯的10%～31%，中國(guó)的綠色生態(tài)系統(tǒng)在未來(lái)作為碳匯的潛力巨大，到2060年，林草碳匯對(duì)國(guó)家碳中和貢獻(xiàn)預(yù)計(jì)超過(guò)60%。林草碳匯不可替代，是國(guó)家實(shí)現(xiàn)碳中和的“壓艙石”，也是生態(tài)產(chǎn)品價(jià)值轉(zhuǎn)化機(jī)制的重要抓手。立足于遙感科學(xué)，通過(guò)空天地一體化協(xié)同觀測(cè)，開展林業(yè)碳匯項(xiàng)目監(jiān)測(cè)報(bào)告數(shù)據(jù)與多源激光雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)融合研究，構(gòu)建基于空天地觀測(cè)的林業(yè)碳匯項(xiàng)目碳儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)手段，可實(shí)現(xiàn)林業(yè)碳匯項(xiàng)目碳儲(chǔ)量快速精準(zhǔn)核算，為林業(yè)碳匯項(xiàng)目的真實(shí)性、合格性、科學(xué)性提供有效保障。

基于我國(guó)地形和氣候現(xiàn)狀，研究團(tuán)隊(duì)在全國(guó)范圍內(nèi)選擇東（江蘇）、西（新疆）、南（福建）、北（北京）、中（黃河流域）5個(gè)典型區(qū)域進(jìn)行森林碳匯關(guān)鍵指標(biāo)（生物量）實(shí)驗(yàn)，目前已完成南北示范區(qū)的實(shí)地驗(yàn)證，尤其在竹林碳匯的生物量估算、覆蓋范圍等的核算上可實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)區(qū)域半個(gè)月更新頻率、總體精度97%以上的監(jiān)測(cè)水平，相比傳統(tǒng)地面核查方式，效率可提升5倍，成本可降低一半，這些成果的技術(shù)指標(biāo)都達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。

為了打通衛(wèi)星遙感技術(shù)在碳交易上的技術(shù)壁壘，研究團(tuán)隊(duì)同期也與廈門產(chǎn)權(quán)交易中心、海峽碳交易所、中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院等達(dá)成戰(zhàn)略合作，推進(jìn)技術(shù)成果的產(chǎn)業(yè)化落地。

致謝：感謝國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“國(guó)家質(zhì)量基礎(chǔ)設(shè)施體系”重點(diǎn)專項(xiàng)“碳排放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制關(guān)鍵測(cè)量技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)”項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2022YFF0606400）的支持。

本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技縱覽》2024年1月刊。