中國碳衛星助力我國雙碳目標和全球盤點

本期嘉賓

　　● 精彩看點

　　中國科學院大氣物理研究所劉毅研究組聯合中、英多位科學家，在《大氣科學進展》發表研究論文，介紹中國碳衛星首幅全球碳通量數據，助力我國雙碳目標和全球盤點行動。該團隊基于我國第一顆全球二氧化碳監測科學實驗衛星-中國碳衛星（TanSat）的大氣二氧化碳含量觀測，利用先進的碳通量計算系統，獲取了中國碳衛星首個全球碳通量數據集。這是一個里程碑式的結果，標志著我國具備了全球碳收支的空間定量監測能力，是國際上繼日本、美國之后的第三個具備該技術的國家。全球盤點（《巴黎協議》）有助于了解溫室氣體減排、增匯等行動對氣候變化趨勢的影響，衛星遙感將在全球統一、無偏差的碳收支核算中發揮重大作用。新一代衛星的設計與研發將面向我國雙碳目標的監測需求、國際社會的盤點需求，助力人類命運共同體實現“碳中和”。

　　特? 邀

　　中國碳衛星助力我國雙碳目標和全球盤點

　　●我國雙碳目標和全球盤點

　　2020年9月，我國莊嚴提出二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和的偉大愿景。同時承諾我國將采取更加有力的政策和措施，提高國家自主貢獻（NDC）力度。

　　二氧化碳（CO2）是地球大氣的重要組成部分，體積組份約占大氣的0.04%。自工業革命以來，人類生產活動和科技發展大量消耗化石燃料，向大氣釋放了大量CO2等溫室氣體，打破了CO2在大自然中長期的循環平衡，導致大氣中的CO2含量急劇上升。大氣中的CO2會產生較強的溫室效應，含量過高將導致全球地表溫度升高，因此被認為是造成氣候變化的關鍵原因。為減緩CO2過度排放造成的氣候變化，自1992年以來，《聯合國氣候變化框架公約》逐步對各國排放狀態加強約束。第13次締約方會議（COP13，2007年）通過的“巴厘島路線圖”中提對溫室氣體的排放要做到“可測量、可報告、可核查”的“三可”原則（MRV）。2009年，哥本哈根氣候大會（COP15）提出目標：“全球平均氣溫不高于工業革命前水平2攝氏度以內。升溫控制在1.5攝氏度之內而努力”。隨后，《巴黎協定》為進一步督促各國的自主貢獻（NDC），提出了自2023年起，每五年進行一次全球盤點（Global Stocktaking）的計劃，盤點各國的實際行動在減緩氣候變化中的貢獻。因此減排（增匯）成為盤點的核心對象。

　　當前溫室氣體減排的成效評估多依賴于清單方法，政府間氣候變化專門委員會（IPCC）制定了《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》（下稱《指南》），要求各國清單須按照《指南》的方法要求編制。即便如此，國別清單的誤差、偏差、透明度等問題，依然無發避免。隨著人類科技水平的進步，大氣探測和模型模擬技術的飛速發展，通過大氣CO2濃度觀測溯源排放的方法被認為可以有效驗證清單（MVS），因此在2019年修訂版中，該方法被正式寫入《指南》。

　　我國國民經濟、生產力和生活水平均處在飛速發展期，對能源的需求與消耗較大，成為世界上CO2排放大國之一。雙碳目標的提出，體現出我國在氣候和環境治理方面的決心、大國擔當的雄心和應對人類命運共同體面臨威脅的責任心。雙碳目標的實現，是人類對自然有序適應的體現，將通過不斷的調整人類社會發展路線，最終實現與自然的協調共生。

《大氣科學進展》2018年第6期封面

　　封面展示了 中國科學院大氣物理研究所劉毅研究組應用中國科學院大氣物理研究所研發的基于衛星觀測的大氣CO2濃度反演算法(Institute of Atmospheric Physics Carbon Dioxide Retrieval algorithm for satellite remote sensing, IAPCAS) 對中國碳衛星（封面中所示衛星）資料進行反演實驗，獲取了首幅全球陸地表面的大氣CO2分布，圖中填色圖上圖和下圖分別展示了2017年4月和7月大氣CO2全球分布，其中紅色表示CO2濃度較高的地區，藍色表示濃度低的地區。

　　●大氣濃度測量支撐清單驗證的方法

　　利用大氣濃度測量進而計算碳排放和碳吸收的方法被稱作“自上而下”，與清單使用的基于過程模型、統計計算的“自下而上”方法有很大區別。大氣探測可以獲取某一時刻或一段時間內大氣中CO2含量的狀態或者其變化量，大氣CO2是惰性氣體，其化學活性很低，因此其含量的變化主要來自于大氣的輸送和地（海）氣的交換。其中，大氣輸送只是將CO2從一個地點送到另一個地點，僅改變其空間分布，不會改變全球大氣中CO2的總量；地氣交換是改變大氣中CO2含量的原因，地球（包括陸地和海洋）從大氣中吸收CO2，則大氣中CO2含量降低，我們稱之為匯，例如：植被通過光合作用吸收CO2就是一個重要的碳匯；反之，地球向大氣排放CO2，導致大氣CO2含量增加，我們稱之為源，例如：人類燃燒化石燃料向大氣排放CO2是導致氣候變化的重要源。基于觀測，我們可以知道大氣中CO2含量狀態和隨時間的變化趨勢，大氣輸送的過程，我們可以使用大氣輸送模型進行模擬，而余下的變化則歸結為地氣交換的源、匯作用，這即是“自上而下”溯碳源的方法。

　　綜上所述，“自上而下”方法主要依賴于兩方面，觀測和模擬。觀測是眼睛，因此對于觀測，我們要求看的準、看的廣、看的全、看的清，看的準是指觀測精度一定要高，看的廣指觀測需要覆蓋大氣的每個角落，看的全指觀測要做到長時間不間斷，看的清指觀測的分辨率要高。這樣我們通過觀測才能描繪出一個真實的大氣CO2含量狀態和變化趨勢。地面觀測可以很好的做到“看的準、看的全”，其在高精度、連續觀測上具有很強優勢，但是對于全局描繪大氣CO2來講，看的廣、看的清是必要的。衛星遙感由于特殊的觀測地點和方式，決定了其可以在CO2全球觀測中發揮較大作用，特別是在全球覆蓋高分辨率的觀測上（看的廣、看的清）。模擬主要通過大氣輸送模型，利用高性能計算機，模擬出大氣CO2傳輸過程和每一個時刻、每一個地方大氣CO2的含量。因此對于某一個時刻、某一個地方的CO2含量，我們會有一個觀測值和一個模擬值組成一對觀測-模擬數據，這一對數據必然會存在差異，觀測和模擬都會存在誤差，因此不會完全等于真實數值，因此對于觀測-模擬數據對來講，我們希望得到一個最接近于真實的數值，推廣至所有觀測-模擬數據對，我們要全面考慮將其協調一致，因此我們需要一套方法，稱之為“數據同化”，使觀測和模擬“同化”一致。

圖源：Tansat 團隊

　　●中國碳衛星計劃：全球碳監測的堅實的第一步

　　2009年，日本成功發射了國際上第一顆溫室氣體專用探測衛星GOSAT，美國OCO-2緊隨其后，于2014年發射升空。2016年12月22日，中國碳衛星在酒泉衛星發射基地成功發射升空并在軌運行，成為國際第三顆溫室氣體衛星。中國碳衛星（TanSat），全稱是全球二氧化碳監測科學實驗衛星，是十二五期間，由中國科技部立項，中國科學院負責工程總體，中國科學院國家空間科學中心、微小衛星創新研究院、長春光學精密機械與物理研究所、大氣物理研究所和中國氣象局國家衛星氣象中心等多家單位共同承擔的科學實驗衛星計劃，目標是實現全球大氣二氧化碳柱平均干空氣混合比（XCO2，下文簡稱“濃度”）的高精度監測，為碳排放科學研究提供衛星資料。中國碳衛星是一顆近極地太陽同步衛星，飛行高度約700公里，每天繞地球飛行約14圈。其上搭載了主載荷“高光譜分辨率大氣二氧化碳探測儀”和輔助載荷“云和氣溶膠偏振成像儀”。其中，主載荷高光譜分辨率大氣二氧化碳探測儀，利用對地球反射的近紅外/短波紅外太陽輻射對大氣中二氧化碳的含量進行探測。

圖1. 中國碳衛星最新版（V2）CO2柱濃度數據產品（www.chinageoss.org/tansat）

　　數據質量，特別是觀測精度，是制約衛星數據有效應用的瓶頸，CO2的衛星監測精度需求高于0.5%，這在衛星大氣成分遙感領域中是非常高的要求。中國碳衛星的首幅CO2分布數據，在衛星完成在軌測試后，由中國科學院大氣物理研究所依靠自主研發的反演系統獲取并向全球公開發布，平均精度達到了2.11 ppm （單位意義：體積混合比百萬分之一）。在中國碳衛星發射四周年之際，在改進了數據質量和反演算法后，生產了新一版的數據產品，產品偏差和精度分別達到-0.08 ppmv和1.47 ppmv，探測精度躋身于全球領先地位（圖1）。與此同時，中歐開展了針對中國碳衛星全球碳監測的相關合作研究，中國碳衛星加入歐洲空間局（ESA）第三方衛星計劃，間接表明了我國碳衛星及其觀測數據開始逐步走向世界。

　　以此為基礎，本文介紹首次利用TanSat的XCO2觀測數據獲得全球碳通量的時空分布數據。本研究利用一套集合卡曼濾波(ETKF)的碳同化系統與 GEOS-Chem 全球化學輸送模式相結合，從而同化模擬與觀測。結果表明，與先驗通量相比，后驗誤差減少顯著 (30%–50%)，說明TanSat的觀測數據為全球碳通量算提供了有效的信息。利用 TanSat 觀測資料估算了 12 個月（2017 年 5 月至 2018 年 4 月）的全球陸地碳凈通量為6.71 ± 0.76 Gt C yr?1，這與利用日本GOSAT衛星和美國OCO-2衛星資料的結果大體一致。為進一步使用TanSat觀測資料來量化生物圈 - 大氣碳交換的深入研究奠定了基礎。這一結果是TanSat的里程碑，表明我國首顆碳衛星具有全球碳通量監測的能力（圖2）。

圖2. 中國碳衛星（TanSat）監測全球碳源匯示意圖

　　中國碳衛星是我國第一代溫室氣體監測專用衛星，實現了空間溫室氣體高精度監測的從無到有，邁開了重要且艱難的第一步。然而，更大的挑戰在于如何用好衛星遙感這一探測手段，服務于全球盤點和我國雙碳目標的實現。大氣CO2是導致氣候變化的主因之一，其增與減卻涉及大氣圈、生態圈、巖石圈、海洋圈、人類圈等多個圈層的相互聯系，科學的利用觀測和模型剖析CO2在這些圈層間的循環是我們制定前進方向的必經之路。面向未來和我國新一代天基碳監測系統的設計工作已經開始，更全面、有效的探測將為精準的源匯識別奠定堅實的基礎。

　　小知識

　　小知識：什么是碳達峰、碳中和？

　　“碳達峰”是指某個地區或行業，年度碳排放量達到歷史最高值，是碳排放量由增轉降的歷史拐點，標志著經濟發展由高耗能、高排放向清潔的低能耗模式轉變。

　　“碳中和”是指某個地區在一定時間內，人類活動直接和間接排放的碳總量，與通過植樹造林、工業固碳等方式吸收的碳總量相互抵消，實現碳“凈零排放”。