中國碳衛(wèi)星助力我國雙碳目標(biāo)和全球盤點(diǎn)

本期嘉賓

　　● 精彩看點(diǎn)

　　中國科學(xué)院大氣物理研究所劉毅研究組聯(lián)合中、英多位科學(xué)家，在《大氣科學(xué)進(jìn)展》發(fā)表研究論文，介紹中國碳衛(wèi)星首幅全球碳通量數(shù)據(jù)，助力我國雙碳目標(biāo)和全球盤點(diǎn)行動(dòng)。該團(tuán)隊(duì)基于我國第一顆全球二氧化碳監(jiān)測科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星-中國碳衛(wèi)星（TanSat）的大氣二氧化碳含量觀測，利用先進(jìn)的碳通量計(jì)算系統(tǒng)，獲取了中國碳衛(wèi)星首個(gè)全球碳通量數(shù)據(jù)集。這是一個(gè)里程碑式的結(jié)果，標(biāo)志著我國具備了全球碳收支的空間定量監(jiān)測能力，是國際上繼日本、美國之后的第三個(gè)具備該技術(shù)的國家。全球盤點(diǎn)（《巴黎協(xié)議》）有助于了解溫室氣體減排、增匯等行動(dòng)對氣候變化趨勢的影響，衛(wèi)星遙感將在全球統(tǒng)一、無偏差的碳收支核算中發(fā)揮重大作用。新一代衛(wèi)星的設(shè)計(jì)與研發(fā)將面向我國雙碳目標(biāo)的監(jiān)測需求、國際社會的盤點(diǎn)需求，助力人類命運(yùn)共同體實(shí)現(xiàn)“碳中和”。

　　特? 邀

　　中國碳衛(wèi)星助力我國雙碳目標(biāo)和全球盤點(diǎn)

　　●我國雙碳目標(biāo)和全球盤點(diǎn)

　　2020年9月，我國莊嚴(yán)提出二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的偉大愿景。同時(shí)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(xiàn)（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(yè)革命以來，人類生產(chǎn)活動(dòng)和科技發(fā)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(huán)平衡，導(dǎo)致大氣中的CO2含量急劇上升。大氣中的CO2會產(chǎn)生較強(qiáng)的溫室效應(yīng)，含量過高將導(dǎo)致全球地表溫度升高，因此被認(rèn)為是造成氣候變化的關(guān)鍵原因。為減緩CO2過度排放造成的氣候變化，自1992年以來，《聯(lián)合國氣候變化框架公約》逐步對各國排放狀態(tài)加強(qiáng)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(bào)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(biāo)：“全球平均氣溫不高于工業(yè)革命前水平2攝氏度以內(nèi)。升溫控制在1.5攝氏度之內(nèi)而努力”。隨后，《巴黎協(xié)定》為進(jìn)一步督促各國的自主貢獻(xiàn)（NDC），提出了自2023年起，每五年進(jìn)行一次全球盤點(diǎn)（Global Stocktaking）的計(jì)劃，盤點(diǎn)各國的實(shí)際行動(dòng)在減緩氣候變化中的貢獻(xiàn)。因此減排（增匯）成為盤點(diǎn)的核心對象。

　　當(dāng)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(fā)避免。隨著人類科技水平的進(jìn)步，大氣探測和模型模擬技術(shù)的飛速發(fā)展，通過大氣CO2濃度觀測溯源排放的方法被認(rèn)為可以有效驗(yàn)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(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)力和生活水平均處在飛速發(fā)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(biāo)的提出，體現(xiàn)出我國在氣候和環(huán)境治理方面的決心、大國擔(dān)當(dāng)?shù)男坌暮蛻?yīng)對人類命運(yùn)共同體面臨威脅的責(zé)任心。雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，是人類對自然有序適應(yīng)的體現(xiàn)，將通過不斷的調(diào)整人類社會發(fā)展路線，最終實(shí)現(xiàn)與自然的協(xié)調(diào)共生。

《大氣科學(xué)進(jìn)展》2018年第6期封面

　　封面展示了 中國科學(xué)院大氣物理研究所劉毅研究組應(yīng)用中國科學(xué)院大氣物理研究所研發(fā)的基于衛(wèi)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(wèi)星（封面中所示衛(wèi)星）資料進(jìn)行反演實(shí)驗(yàn)，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(qū)，藍(lán)色表示濃度低的地區(qū)。

　　●大氣濃度測量支撐清單驗(yàn)證的方法

　　利用大氣濃度測量進(jìn)而計(jì)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(tǒng)計(jì)計(jì)算的“自下而上”方法有很大區(qū)別。大氣探測可以獲取某一時(shí)刻或一段時(shí)間內(nèi)大氣中CO2含量的狀態(tài)或者其變化量，大氣CO2是惰性氣體，其化學(xué)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(gè)地點(diǎn)送到另一個(gè)地點(diǎn)，僅改變其空間分布，不會改變?nèi)虼髿庵蠧O2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(gè)重要的碳匯；反之，地球向大氣排放CO2，導(dǎo)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(dǎo)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(tài)和隨時(shí)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(jìn)行模擬，而余下的變化則歸結(jié)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(zhǔn)、看的廣、看的全、看的清，看的準(zhǔn)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(gè)角落，看的全指觀測要做到長時(shí)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(gè)真實(shí)的大氣CO2含量狀態(tài)和變化趨勢。地面觀測可以很好的做到“看的準(zhǔn)、看的全”，其在高精度、連續(xù)觀測上具有很強(qiáng)優(yōu)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(wèi)星遙感由于特殊的觀測地點(diǎn)和方式，決定了其可以在CO2全球觀測中發(fā)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(jì)算機(jī)，模擬出大氣CO2傳輸過程和每一個(gè)時(shí)刻、每一個(gè)地方大氣CO2的含量。因此對于某一個(gè)時(shí)刻、某一個(gè)地方的CO2含量，我們會有一個(gè)觀測值和一個(gè)模擬值組成一對觀測-模擬數(shù)據(jù)，這一對數(shù)據(jù)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(shí)數(shù)值，因此對于觀測-模擬數(shù)據(jù)對來講，我們希望得到一個(gè)最接近于真實(shí)的數(shù)值，推廣至所有觀測-模擬數(shù)據(jù)對，我們要全面考慮將其協(xié)調(diào)一致，因此我們需要一套方法，稱之為“數(shù)據(jù)同化”，使觀測和模擬“同化”一致。

圖源：Tansat 團(tuán)隊(duì)

　　●中國碳衛(wèi)星計(jì)劃：全球碳監(jiān)測的堅(jiān)實(shí)的第一步

　　2009年，日本成功發(fā)射了國際上第一顆溫室氣體專用探測衛(wèi)星GOSAT，美國OCO-2緊隨其后，于2014年發(fā)射升空。2016年12月22日，中國碳衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射基地成功發(fā)射升空并在軌運(yùn)行，成為國際第三顆溫室氣體衛(wèi)星。中國碳衛(wèi)星（TanSat），全稱是全球二氧化碳監(jiān)測科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，是十二五期間，由中國科技部立項(xiàng)，中國科學(xué)院負(fù)責(zé)工程總體，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、大氣物理研究所和中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心等多家單位共同承擔(dān)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星計(jì)劃，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)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(jiān)測，為碳排放科學(xué)研究提供衛(wèi)星資料。中國碳衛(wèi)星是一顆近極地太陽同步衛(wèi)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(jìn)行探測。

圖1. 中國碳衛(wèi)星最新版（V2）CO2柱濃度數(shù)據(jù)產(chǎn)品（www.chinageoss.org/tansat）

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

　　以此為基礎(chǔ)，本文介紹首次利用TanSat的XCO2觀測數(shù)據(jù)獲得全球碳通量的時(shí)空分布數(shù)據(jù)。本研究利用一套集合卡曼濾波(ETKF)的碳同化系統(tǒng)與 GEOS-Chem 全球化學(xué)輸送模式相結(jié)合，從而同化模擬與觀測。結(jié)果表明，與先驗(yàn)通量相比，后驗(yàn)誤差減少顯著 (30%–50%)，說明TanSat的觀測數(shù)據(jù)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(gè)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(wèi)星和美國OCO-2衛(wèi)星資料的結(jié)果大體一致。為進(jìn)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(chǔ)。這一結(jié)果是TanSat的里程碑，表明我國首顆碳衛(wèi)星具有全球碳通量監(jiān)測的能力（圖2）。

圖2. 中國碳衛(wèi)星（TanSat）監(jiān)測全球碳源匯示意圖

　　中國碳衛(wèi)星是我國第一代溫室氣體監(jiān)測專用衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)了空間溫室氣體高精度監(jiān)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(zhàn)在于如何用好衛(wèi)星遙感這一探測手段，服務(wù)于全球盤點(diǎn)和我國雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。大氣CO2是導(dǎo)致氣候變化的主因之一，其增與減卻涉及大氣圈、生態(tài)圈、巖石圈、海洋圈、人類圈等多個(gè)圈層的相互聯(lián)系，科學(xué)的利用觀測和模型剖析CO2在這些圈層間的循環(huán)是我們制定前進(jìn)方向的必經(jīng)之路。面向未來和我國新一代天基碳監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作已經(jīng)開始，更全面、有效的探測將為精準(zhǔn)的源匯識別奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　小知識

　　小知識：什么是碳達(dá)峰、碳中和？

　　“碳達(dá)峰”是指某個(gè)地區(qū)或行業(yè)，年度碳排放量達(dá)到歷史最高值，是碳排放量由增轉(zhuǎn)降的歷史拐點(diǎn)，標(biāo)志著經(jīng)濟(jì)發(fā)展由高耗能、高排放向清潔的低能耗模式轉(zhuǎn)變。

　　“碳中和”是指某個(gè)地區(qū)在一定時(shí)間內(nèi)，人類活動(dòng)直接和間接排放的碳總量，與通過植樹造林、工業(yè)固碳等方式吸收的碳總量相互抵消，實(shí)現(xiàn)碳“凈零排放”。