卫星助力碳中和

　　卫星遥感正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？相比传统方法，卫星遥感具有客观、连续、稳定、大范围和可重复观测等优点。

　　迄今，日本、美国和中国已相继发射了具备大气二氧化碳浓度观测能力的卫星。2016年12月22日，我国首颗碳卫星、全球二氧化碳监测科学实验卫星在酒泉卫星发射基地发射升空并在轨运行，成为国际上第三颗温室气体监测卫星。随后，2018年5月9日，我国再次成功发射高分五号卫星，搭载的温室气体监测仪GMI的主要功能是定量监测二氧化碳和甲烷的全球浓度分布变化。今年4月，我国使用长征四号丙运载火箭成功发射大气环境监测卫星，以激光监测二氧化碳浓度变化；8月又成功发射“句芒号”卫星……

　　仰望星空，这一颗颗卫星，成为助力碳中和的科技力量。

　　“句芒号”上天

　　2022年8月4日11时8分，我国在太原卫星发射中心使用长征四号乙遥四十运载火箭，成功将陆地生态系统碳监测卫星“句芒号”送入预定轨道。

　　句芒，是我国古代民间神话中的木神、春神、东方之神，主管树木的发芽生长，象征对自然环境的敬畏与责任。卫星发射前，国家航天局新闻宣传中心与国家林业和草原局宣传中心、中国空间技术研究院等单位联合组织发起了陆地生态系统碳监测卫星征名活动。“句芒”“青绿”“寻木”“烛龙”“神农”……每一个网友投稿的名称和其背后的释义都饱含大家对绿色生态环境的渴望和对中华传统文化的喜爱。最终，“句芒”从近5000个投稿中脱颖而出。

　　“句芒号”是世界首颗森林碳汇主被动联合观测的遥感卫星，能够实现对森林植被生物量、气溶胶分布、叶绿素荧光等的高精度定量遥感测量，进而计算出森林碳汇，即“森林植被吸收并存储的二氧化碳量”。

　　过去，林业局要摸底森林碳汇，只能用传统的监测手段：森林调查员深入山林，依次测量每棵树的高度和树木胸径，再算出碳汇。这种测量数据更新不会很及时，通常一个季度更新一次。国家航天局公布的信息显示，“句芒号”卫星在轨运行后，可提高碳汇计量的效率和精度，转变传统的人工碳汇计量手段。

　　 “句芒号”卫星运行于高度为506公里、倾角97.4度的太阳同步轨道，通过综合遥感手段实现植被生物量、大气气溶胶、植被叶绿素荧光等要素的探测和测量，将广泛应用于陆地生态系统碳监测、国家重大生态工程监测评价、大气环境监测和气候变化中气溶胶作用研究等工作。

　　2020年9月，我国在第75届联合国大会上正式提出，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。“句芒号”成功上天后，国家航天局表示，该卫星将为我国实现碳达峰、碳中和提供遥感力量，提高我国应对全球气候变化的话语权和主导权。

　　准、全、细、精

　　作为“句芒号”卫星的研制团队，航天科技集团五院表示，研制团队创新性地将天基测绘“激光雷达+光学相机”为代表的主被动联合观测手段应用到森林监测中。

　　植被高度、植被面积、叶绿素荧光和大气PM2.5含量是计算森林碳汇能力的核心数据。为精准监测森林碳汇，“句芒号”卫星配置了多波束激光雷达、多角度多光谱相机、超光谱探测仪和多角度偏振成像仪等4种载荷，以支持获取上述数据，并确保数据“准、全、细、精”。

　　为确保植被测高结果“准”，“句芒号”利用多波束激光雷达进行植被测高。这是一个抽样测量的过程，通过计算激光到树冠以及地面的时间差得出树木的高度，而卫星一次测量发射出激光的光束数量、频次决定着测量精度。为最大程度提升植被测高的数据精度，研制团队通过数据反演、仿真分析、应用测试，最终使植被测高精度大幅提升。

　　为确保获取植被面积“全”，准确还原森林茂密程度，研制团队为卫星设计安装了5个多光谱相机，实现对地5角度立体观测。同时，为了避免植被阴、阳面光线影响，研制团队创新性提出月球定标方法，确保5角度成像光谱响应一致。实现这些能力后，5角度多光谱相机就能帮助“句芒号”绘制一幅“立体”植被分布图。

　　叶绿素荧光制图是“句芒号”卫星实现高精度监测的重要环节。由于叶绿素荧光的能量非常小，仅有约0.5%到2%以荧光的形式发射出来，为提升叶绿素光谱探测精“细”程度，研制团队为“句芒号”卫星设计配置了超光谱探测仪，创新性使用了光栅分光原理，将光谱分辨率较传统探测仪提升了10倍，实现了国际首次0.3纳米精细探测，能够探测到人眼所看不到的太阳光明暗细微变化。

　　为实现大气校正数据“精”，研制团队为“句芒号”卫星配置了偏振成像仪，支持35个角度监测大气PM2.5含量，获取大气横向PM2.5含量信息。此外，研制团队还增配了大气激光雷达，用于获取大气纵向PM2.5含量信息。一横一纵，就将数据结果由二维变成了三维立体信息，更加精准。

　　数据应用是重头

　　2020年，《巴黎气候变化协定》通过五周年之际，联合国秘书长安东尼奥·古特雷斯撰文呼吁：“每个国家、城市、金融机构和公司都应采取净零排放计划，从现在做起，走上实现这一目标的正确道路，即到2030年全球温室气体排放量比2010年的水平减少45%。”

　　中国工程院院士、清华大学碳中和研究院院长贺克斌近日表示，截至2021年底，全球已有136个国家提出了碳中和承诺，这一范围覆盖了全球88%的二氧化碳排放、90%的GDP和85%的人口。

　　不过，确定温室气体减排的情况，以及确定各国承诺的减排指标是否达到并不容易。有几个问题亟待弄清：大气中温室气体的总量是多少？属于人为排放的有多少？各个国家的排放量是多少？将每一项减碳措施的效果、剩余碳排放、如何实现碳中和等明确化，将每一项减排贡献真实透明地测算出来，就是碳盘点的具体任务。

　　“在轨运行只是第一步，如何利用卫星遥感进行准确有效的监测、获取高质量数据、对数据进行科学解析以及数据产品的应用等环节才是重头戏。”中国科学院大气物理研究所碳中和研究中心副研究员杨东旭撰文称。

　　2021年，中国科学院大气物理研究所基于我国第一颗碳卫星——全球二氧化碳监测科学实验卫星的观测数据，发布全球碳通量数据集，标志着我国已具备全球碳收支的空间定量监测能力，可以助力盘点各地碳收支核算。

　　事实上，早在2017年，我国宣布新一代静止轨道气象卫星“风云四号”和首颗全球二氧化碳监测科学实验卫星的数据产品对全球用户免费开放，自那时起，我国成为继日本、美国之后，第三个可以提供碳卫星数据的国家。

　　2021年7月16日，全国碳排放权交易在上海环境能源交易所股份有限公司正式开市。此前，我国已陆续启动七个碳交易试点，分别为深圳、上海、北京、广东、天津、湖北和重庆。

　　“双碳”（碳达峰与碳中和的简称）成为全球热点后，碳交易随之升温。中投协咨询委绿创办公室副主任郭海飞称，2021年，全球主要碳市场交易额达到7600亿欧元，相比2020年增长164%。其中，欧盟排放交易体系以6830亿欧元占据全球交易额的约90%。

　　就国内而言，“随着未来石化、化工、建材、钢铁、有色、造纸、航空、建筑等行业纳入到全球统一的碳交易市场，我国碳交易市场规模可能会超过数万亿元人民币。”郭海飞说。

　　但市场不会一蹴而就。

　　碳数据方案提供商行星数据CEO白纯钰公开表示，为了碳交易而购买碳数据的客户，很在意是否可以按照需求监测和分析交易的碳资产，比如最近三个月全国森林碳汇的整体变化情况——这需要卫星配套的数据反演软件快速处理各种需求。

　　“国家队卫星的数据用户往往是国家级的科研单位，其需求主要瞄准更宏观的全球变化研究或国家层面需求，这和市场上的商业化应用很多时候并不完全匹配，这也导致没有发射能力的卫星数据应用公司即使拿到这类数据之后，可以施展的空间尚非常有限。”白纯钰称，伴随市场的成熟，对碳数据的需求必将更大，而卫星也将在实现“双碳”目标的进程中发挥更大作用。