中国碳卫星助力我国双碳目标和全球盘点

本期嘉宾

　　● 精彩看点

　　中国科学院大气物理研究所刘毅研究组联合中、英多位科学家，在《大气科学进展》发表研究论文，介绍中国碳卫星首幅全球碳通量数据，助力我国双碳目标和全球盘点行动。该团队基于我国第一颗全球二氧化碳监测科学实验卫星-中国碳卫星（TanSat）的大气二氧化碳含量观测，利用先进的碳通量计算系统，获取了中国碳卫星首个全球碳通量数据集。这是一个里程碑式的结果，标志着我国具备了全球碳收支的空间定量监测能力，是国际上继日本、美国之后的第三个具备该技术的国家。全球盘点（《巴黎协议》）有助于了解温室气体减排、增汇等行动对气候变化趋势的影响，卫星遥感将在全球统一、无偏差的碳收支核算中发挥重大作用。新一代卫星的设计与研发将面向我国双碳目标的监测需求、国际社会的盘点需求，助力人类命运共同体实现“碳中和”。

　　特  邀

　　中国碳卫星助力我国双碳目标和全球盘点

　　●我国双碳目标和全球盘点

　　2020年9月，我国庄严提出二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和的伟大愿景。同时承诺我国将采取更加有力的政策和措施，提高国家自主贡献（NDC）力度。

　　二氧化碳（CO2）是地球大气的重要组成部分，体积组份约占大气的0.04%。自工业革命以来，人类生产活动和科技发展大量消耗化石燃料，向大气释放了大量CO2等温室气体，打破了CO2在大自然中长期的循环平衡，导致大气中的CO2含量急剧上升。大气中的CO2会产生较强的温室效应，含量过高将导致全球地表温度升高，因此被认为是造成气候变化的关键原因。为减缓CO2过度排放造成的气候变化，自1992年以来，《联合国气候变化框架公约》逐步对各国排放状态加强约束。第13次缔约方会议（COP13，2007年）通过的“巴厘岛路线图”中提对温室气体的排放要做到“可测量、可报告、可核查”的“三可”原则（MRV）。2009年，哥本哈根气候大会（COP15）提出目标：“全球平均气温不高于工业革命前水平2摄氏度以内。升温控制在1.5摄氏度之内而努力”。随后，《巴黎协定》为进一步督促各国的自主贡献（NDC），提出了自2023年起，每五年进行一次全球盘点（Global Stocktaking）的计划，盘点各国的实际行动在减缓气候变化中的贡献。因此减排（增汇）成为盘点的核心对象。

　　当前温室气体减排的成效评估多依赖于清单方法，政府间气候变化专门委员会（IPCC）制定了《2006年IPCC国家温室气体清单指南》（下称《指南》），要求各国清单须按照《指南》的方法要求编制。即便如此，国别清单的误差、偏差、透明度等问题，依然无发避免。随着人类科技水平的进步，大气探测和模型模拟技术的飞速发展，通过大气CO2浓度观测溯源排放的方法被认为可以有效验证清单（MVS），因此在2019年修订版中，该方法被正式写入《指南》。

　　我国国民经济、生产力和生活水平均处在飞速发展期，对能源的需求与消耗较大，成为世界上CO2排放大国之一。双碳目标的提出，体现出我国在气候和环境治理方面的决心、大国担当的雄心和应对人类命运共同体面临威胁的责任心。双碳目标的实现，是人类对自然有序适应的体现，将通过不断的调整人类社会发展路线，最终实现与自然的协调共生。

《大气科学进展》2018年第6期封面

　　封面展示了 中国科学院大气物理研究所刘毅研究组应用中国科学院大气物理研究所研发的基于卫星观测的大气CO2浓度反演算法(Institute of Atmospheric Physics Carbon Dioxide Retrieval algorithm for satellite remote sensing, IAPCAS) 对中国碳卫星（封面中所示卫星）资料进行反演实验，获取了首幅全球陆地表面的大气CO2分布，图中填色图上图和下图分别展示了2017年4月和7月大气CO2全球分布，其中红色表示CO2浓度较高的地区，蓝色表示浓度低的地区。

　　●大气浓度测量支撑清单验证的方法

　　利用大气浓度测量进而计算碳排放和碳吸收的方法被称作“自上而下”，与清单使用的基于过程模型、统计计算的“自下而上”方法有很大区别。大气探测可以获取某一时刻或一段时间内大气中CO2含量的状态或者其变化量，大气CO2是惰性气体，其化学活性很低，因此其含量的变化主要来自于大气的输送和地（海）气的交换。其中，大气输送只是将CO2从一个地点送到另一个地点，仅改变其空间分布，不会改变全球大气中CO2的总量；地气交换是改变大气中CO2含量的原因，地球（包括陆地和海洋）从大气中吸收CO2，则大气中CO2含量降低，我们称之为汇，例如：植被通过光合作用吸收CO2就是一个重要的碳汇；反之，地球向大气排放CO2，导致大气CO2含量增加，我们称之为源，例如：人类燃烧化石燃料向大气排放CO2是导致气候变化的重要源。基于观测，我们可以知道大气中CO2含量状态和随时间的变化趋势，大气输送的过程，我们可以使用大气输送模型进行模拟，而余下的变化则归结为地气交换的源、汇作用，这即是“自上而下”溯碳源的方法。

　　综上所述，“自上而下”方法主要依赖于两方面，观测和模拟。观测是眼睛，因此对于观测，我们要求看的准、看的广、看的全、看的清，看的准是指观测精度一定要高，看的广指观测需要覆盖大气的每个角落，看的全指观测要做到长时间不间断，看的清指观测的分辨率要高。这样我们通过观测才能描绘出一个真实的大气CO2含量状态和变化趋势。地面观测可以很好的做到“看的准、看的全”，其在高精度、连续观测上具有很强优势，但是对于全局描绘大气CO2来讲，看的广、看的清是必要的。卫星遥感由于特殊的观测地点和方式，决定了其可以在CO2全球观测中发挥较大作用，特别是在全球覆盖高分辨率的观测上（看的广、看的清）。模拟主要通过大气输送模型，利用高性能计算机，模拟出大气CO2传输过程和每一个时刻、每一个地方大气CO2的含量。因此对于某一个时刻、某一个地方的CO2含量，我们会有一个观测值和一个模拟值组成一对观测-模拟数据，这一对数据必然会存在差异，观测和模拟都会存在误差，因此不会完全等于真实数值，因此对于观测-模拟数据对来讲，我们希望得到一个最接近于真实的数值，推广至所有观测-模拟数据对，我们要全面考虑将其协调一致，因此我们需要一套方法，称之为“数据同化”，使观测和模拟“同化”一致。

图源：Tansat 团队

　　●中国碳卫星计划：全球碳监测的坚实的第一步

　　2009年，日本成功发射了国际上第一颗温室气体专用探测卫星GOSAT，美国OCO-2紧随其后，于2014年发射升空。2016年12月22日，中国碳卫星在酒泉卫星发射基地成功发射升空并在轨运行，成为国际第三颗温室气体卫星。中国碳卫星（TanSat），全称是全球二氧化碳监测科学实验卫星，是十二五期间，由中国科技部立项，中国科学院负责工程总体，中国科学院国家空间科学中心、微小卫星创新研究院、长春光学精密机械与物理研究所、大气物理研究所和中国气象局国家卫星气象中心等多家单位共同承担的科学实验卫星计划，目标是实现全球大气二氧化碳柱平均干空气混合比（XCO2，下文简称“浓度”）的高精度监测，为碳排放科学研究提供卫星资料。中国碳卫星是一颗近极地太阳同步卫星，飞行高度约700公里，每天绕地球飞行约14圈。其上搭载了主载荷“高光谱分辨率大气二氧化碳探测仪”和辅助载荷“云和气溶胶偏振成像仪”。其中，主载荷高光谱分辨率大气二氧化碳探测仪，利用对地球反射的近红外/短波红外太阳辐射对大气中二氧化碳的含量进行探测。

图1. 中国碳卫星最新版（V2）CO2柱浓度数据产品（www.chinageoss.org/tansat）

　　数据质量，特别是观测精度，是制约卫星数据有效应用的瓶颈，CO2的卫星监测精度需求高于0.5%，这在卫星大气成分遥感领域中是非常高的要求。中国碳卫星的首幅CO2分布数据，在卫星完成在轨测试后，由中国科学院大气物理研究所依靠自主研发的反演系统获取并向全球公开发布，平均精度达到了2.11 ppm （单位意义：体积混合比百万分之一）。在中国碳卫星发射四周年之际，在改进了数据质量和反演算法后，生产了新一版的数据产品，产品偏差和精度分别达到-0.08 ppmv和1.47 ppmv，探测精度跻身于全球领先地位（图1）。与此同时，中欧开展了针对中国碳卫星全球碳监测的相关合作研究，中国碳卫星加入欧洲空间局（ESA）第三方卫星计划，间接表明了我国碳卫星及其观测数据开始逐步走向世界。

　　以此为基础，本文介绍首次利用TanSat的XCO2观测数据获得全球碳通量的时空分布数据。本研究利用一套集合卡曼滤波(ETKF)的碳同化系统与 GEOS-Chem 全球化学输送模式相结合，从而同化模拟与观测。结果表明，与先验通量相比，后验误差减少显着 (30%–50%)，说明TanSat的观测数据为全球碳通量算提供了有效的信息。利用 TanSat 观测资料估算了 12 个月（2017 年 5 月至 2018 年 4 月）的全球陆地碳净通量为6.71 ± 0.76 Gt C yr?1，这与利用日本GOSAT卫星和美国OCO-2卫星资料的结果大体一致。为进一步使用TanSat观测资料来量化生物圈 - 大气碳交换的深入研究奠定了基础。这一结果是TanSat的里程碑，表明我国首颗碳卫星具有全球碳通量监测的能力（图2）。

图2. 中国碳卫星（TanSat）监测全球碳源汇示意图

　　中国碳卫星是我国第一代温室气体监测专用卫星，实现了空间温室气体高精度监测的从无到有，迈开了重要且艰难的第一步。然而，更大的挑战在于如何用好卫星遥感这一探测手段，服务于全球盘点和我国双碳目标的实现。大气CO2是导致气候变化的主因之一，其增与减却涉及大气圈、生态圈、岩石圈、海洋圈、人类圈等多个圈层的相互联系，科学的利用观测和模型剖析CO2在这些圈层间的循环是我们制定前进方向的必经之路。面向未来和我国新一代天基碳监测系统的设计工作已经开始，更全面、有效的探测将为精准的源汇识别奠定坚实的基础。

　　小知识

　　小知识：什么是碳达峰、碳中和？

　　“碳达峰”是指某个地区或行业，年度碳排放量达到历史最高值，是碳排放量由增转降的历史拐点，标志着经济发展由高耗能、高排放向清洁的低能耗模式转变。

　　“碳中和”是指某个地区在一定时间内，人类活动直接和间接排放的碳总量，与通过植树造林、工业固碳等方式吸收的碳总量相互抵消，实现碳“净零排放”。