楊東旭：一顆衛(wèi)星看全球，一把尺子量全球

weiwarm 2022-08-09 發(fā)布于北京

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以下視頻來源于

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)百人會

編者按

近年來，“碳達峰”、“碳中和”已經(jīng)成為關乎國家發(fā)展的重要議題，我國將力爭2030年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和?！皽p排、增匯”是實現(xiàn)“雙碳”目標的核心，加強我國基于碳監(jiān)測數(shù)據(jù)的碳排放、碳匯核算工作至關重要。當前，我國正在推進發(fā)展多尺度、多維度各型衛(wèi)星系統(tǒng)，協(xié)同服務“雙碳”監(jiān)測整體目標。針對此話題，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)百人會《未來疆域》欄目特別邀請中國科學院大氣物理研究所副研究員楊東旭老師展開深入探討。

段玉龍（主持人）：據(jù)了解，咱們現(xiàn)在頭頂上有一顆碳衛(wèi)星，可否介紹一下？

楊東旭：目前，碳衛(wèi)星主要以做全球碳源碳匯的監(jiān)測為主。2016年12月，我國第一顆二氧化碳科學實驗監(jiān)測衛(wèi)星成功發(fā)射，為全球的科學家提供了觀測數(shù)據(jù)。

除此，我國還有其它可用于碳監(jiān)測的衛(wèi)星，比如風云系列、高分系列、大氣系列衛(wèi)星，搭載了多種溫室氣體載荷，可進行全球大氣溫室氣體包括二氧化碳和甲烷的探測。不同載荷的優(yōu)勢點是不同的，比如：有的設備可以做到更高的空間分辨率，有的設備可以做到更高的信噪比。載荷關鍵核心參數(shù)的提高，可以有效進行更高精度二氧化碳的探測。

其實，國際上對碳衛(wèi)星的研究還處于起步階段，它的最終功用是什么？它是否可得到高精度的全球碳源匯的探測？還是有很多未知因素的。因此，在衛(wèi)星發(fā)射升空以后，我們做了很多研究才能確定它是否可用于高精度二氧化碳的探測。對于這類摸索性的工作，其實相當于在做科學實驗，通過研究找到合適方法，或者載荷技術體制，才能更適合于二氧化碳探測。

段玉龍（主持人）：空氣中成分有二氧化碳、有甲烷、有氮氣，若發(fā)射一顆衛(wèi)星在太空中，如何可以獲知大氣里二氧化碳含量？

楊東旭：這正是衛(wèi)星的優(yōu)勢，我們用遙感的手段去得到二氧化碳的含量。碳監(jiān)測衛(wèi)星是利用太陽反射的光（輻射），穿過大氣，二氧化碳分子具有較強的吸收能力，在不同波段表現(xiàn)出的吸收能力不同（特征光譜），利用這種吸收特征，我們就可以識別出到底有沒有二氧化碳。同時，通過吸收譜線的形狀和深度，我們就可以知道大氣中的二氧化碳含量。比如，對于大氣中分子的吸收來講，就像大家吃飯一樣，人越多吃的就越多；那么對于吸收線也一樣，太陽光譜本來是條平滑的曲線，如果二氧化碳分子越多，二氧化碳吸收的能量就越多，吸收線的強度越強，特征光譜結構越明顯。我們通過測量二氧化碳吸收了多少能量，就可以知道大氣中二氧化碳的含量，這就是衛(wèi)星探測的原理。

段玉龍（主持人）：如今，世界上很多國家達成了一個戰(zhàn)略共識，各國的碳排量要互相制約，A國要是排放過多則要從B國購買配額，咱們把它稱之為碳稅。那么，一個國家如何來計算自己的碳排量，本國的自然條件比如樹木能吸收或固化多少碳，背后其實需要數(shù)據(jù)的測算。我們現(xiàn)有的測算方法是什么？衛(wèi)星對于測算碳匯，或進行碳匯交易的時候，會有什么幫助？

楊東旭：我們在很早之前就開始測算碳了，學術上我們稱它為“自下而上”基于過程或者個體的方法，通過累加得出總量。比如，我若想測量某個森林的碳匯，我們就要去測樹的各種參數(shù)，通過地表生物量變化的計算，我們就可以得到具體的碳匯量，這是基于過程的方式。

有時候，我們采取實地測量的方法。比如一個工廠排放了多少碳，我們可以用排放因子乘以它燃燒了多少煤或油來計算，這是基于燃燒過程或能源使用過程的方式來計算的。

另外，我們還可以利用模型來計算。比如生態(tài)系統(tǒng)整體碳循環(huán)過程的一個模型，我們可以通過模擬的方式來計算碳排放量。我們常說的清單（IPCC國家溫室氣體清單指南），主體就是基于前面講述的方式得到的。

不過，以上都是基于個體，比如這棵樹已測量，下一棵樹沒有測到，這種個體性的差異推廣到整體，勢必會造成一些誤差。同時，也存在我們沒有關注到某些東西，所以忘記去計算它。

目前，每個國家的碳排放量與碳吸收量，國際上都是使用（溫室氣體排放）清單去核查的，并且這種方式已經(jīng)運行多年。國際社會對于清單核查方法所存在的偏差透明度的問題有一些爭論。IPCC2019年國家溫室氣體清單指南的修改版中把大氣探測、大氣反演的方法寫入國家清單指南，作為一種對于已有清單的核驗方法，未來將進一步推廣。

大氣反演的方法是“自上而下”的，是從大氣整體推導到個體的過程。因此，大氣之下若產(chǎn)生碳排放的話，大氣中的二氧化碳濃度會發(fā)生變化。那么，結合大氣傳輸模型以及大氣二氧化碳濃度的變化，我們就可以知道這種變化是從何而來，這便是大氣反演方法的基本原理。衛(wèi)星在大氣反演方法中的優(yōu)勢在于可以觀測全球二氧化碳濃度，相當于給全球大氣做掃描，可以得到一個大氣二氧化碳在全球的分布和變化，可以更好地去推算全球的碳排放以及碳源匯的狀態(tài)。

不過，大氣反演的方法不可能追蹤到每一個個體，比如具體追蹤到某個工廠排放的難度是非常大的。但是，利用清單方法就可以很準確地描繪某個個體的具體排放過程。而大氣探測的優(yōu)勢在于整體核算，比如我們畫一個大圈，里面有森林、城市、河流、土地，在此層面進行整體核算的話，大氣探測是有優(yōu)勢的。

段玉龍（主持人）：關于衛(wèi)星得出的有關碳排放的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的使用者是誰？如何進行使用？

楊東旭：我們的科學實驗衛(wèi)星，也包括業(yè)務衛(wèi)星，首要的用戶是科研人員。碳元素在地球上的海洋圈、巖石圈、生物圈、大氣圈中不斷進行著交換，作為科研人員要搞清楚我們的碳循環(huán)機制，進一步完善我們的模型和理論，最后就可以很好地應用于預估、預測等業(yè)務。

另外，從行業(yè)用戶的角度來說，碳的數(shù)據(jù)也可用于碳交易、碳排放、碳稅核算，或者說某行業(yè)整體碳的核算。

段玉龍（主持人）：飛機的碳排放量是很大的，我們通過衛(wèi)星可以有效地監(jiān)測民航業(yè)的碳排放數(shù)據(jù)嗎？

楊東旭：通過衛(wèi)星有效監(jiān)測民航業(yè)的碳排放數(shù)據(jù)，可能是未來的一個發(fā)展方向，但是難度確實很大。

首先，對衛(wèi)星的時效性要求非常高。飛機在空中飛的時候是一個很小的個體（從時間和空間上），假設一個短途飛機的飛行時間為兩個小時，只有一顆衛(wèi)星的話，還沒有過境，飛機就已經(jīng)落地了。

另外，對衛(wèi)星的空間分辨率的要求也比較高。如果我們看不到這個飛機，也就很難看清其碳排放。此外，飛機的碳排放量以及擾動量對于整體大氣柱來說，是非常非常小的一個量。雖然飛機的碳排放量是一個瞬時很強的量，但是整體混合起來以后，它是一個比較小的量，這樣的話，也要求衛(wèi)星應有一個較高的精度。所以，從衛(wèi)星的重訪時頻、衛(wèi)星的空間分辨率以及衛(wèi)星的探測精度這三點來說，通過衛(wèi)星有效監(jiān)測民航業(yè)的碳排放數(shù)據(jù)還面臨很大挑戰(zhàn)。

段玉龍（主持人）：通過衛(wèi)星的觀測解決民航業(yè)碳排放的問題目前還不太現(xiàn)實，那么，還有什么機構能用得上碳衛(wèi)星的數(shù)據(jù)呢？

楊東旭：需要大體量碳排放核算的業(yè)務。比如我國林區(qū)的碳匯到底有多少，我們可以用衛(wèi)星來測算；比如我國國民排放的碳總量也可以用衛(wèi)星來測算。未來，一個城市中某個公園綠地的碳匯能有多少，類似這種層面的事情，我們希望是可以用衛(wèi)星來解決的。

段玉龍（主持人）：是不是我們手里有了這顆衛(wèi)星，跟別的國家和地區(qū)談判的時候，也會有更多的話語權？

楊東旭：目前來講，國際上核算碳的方式都是各個國家自己申報清單，雖然大家的方法是一樣的，但是有些參數(shù)、有些系數(shù)可能會產(chǎn)生一些偏差，所以國際社會對于目前已有的清單會有一些質疑。

一顆衛(wèi)星看全球，一把尺子量全球?！耙活w”是指的一個廣義上的一顆，我們可以認為是一個衛(wèi)星系統(tǒng)，例如：星座，這個概念目前比較火熱。類似的如通信星座衛(wèi)星上若搭載的設備是一致的，就會變成一種標準化的測量，這種標準化測量相當于一個設備在做觀測。由于標準化設備搭載在不同的衛(wèi)星上，可以實現(xiàn)在廣度以及訪問時頻上的提高。這樣，我們可以把它看成是用一個設備來使用。

段玉龍（主持人）：衛(wèi)星觀測碳排放的好處是可以看全球，還有呢？

楊東旭：衛(wèi)星可以看到一些我們看不到的地方，比如我們若想摸清亞馬遜森林的碳排放情況需要很多地面站點，但亞馬遜森林里很難有許多可以長時間維護的站點。目前，我們發(fā)展了幾十年的地面觀測網(wǎng)絡，對于很多地方還是空白的，所以，在一些人跡罕至的地方，在沒有地面站點的地方，衛(wèi)星可以成為地面網(wǎng)絡的有效補充。

段玉龍（主持人）：衛(wèi)星的反饋數(shù)據(jù)也會比我們自下而上的方法更快一些嗎？

楊東旭：是的，衛(wèi)星在過境的時候對地遙感，不同的衛(wèi)星有不同的數(shù)據(jù)收發(fā)體制，可以一次收發(fā)或者多次收發(fā)、或者實時收發(fā)，接收下來的數(shù)據(jù)可以很快到達用戶手里。

段玉龍（主持人）：目前，咱們國家專業(yè)探測碳排放的衛(wèi)星只有一顆，其他國家關于碳衛(wèi)星的部署或者計劃是怎樣的？

楊東旭：歐洲有一顆很大的衛(wèi)星叫Envisat，上面搭載的SCIAMACH具備短波紅外二氧化碳通道，是二氧化碳柱濃度探測的首次嘗試，因此我們認為它是一個“pathfinder”，也就是“探路者”性質的衛(wèi)星探測。2009年日本GOSAT衛(wèi)星發(fā)射成功，國際上第一顆溫室氣體專用觀測衛(wèi)星誕生了。2014年美國發(fā)射了OCO-2衛(wèi)星，作為另外一種儀器體制的衛(wèi)星與GOSAT同時在軌運行。2016年，我國碳衛(wèi)星發(fā)射，我們的載荷體制類似于美國OCO-2衛(wèi)星，是高光譜分辨光柵光譜儀。

碳衛(wèi)星雖然是一個專用的觀測衛(wèi)星，但是只要這顆衛(wèi)星上搭載了探測溫室氣體的觀測設備，它就可以進行二氧化碳的探測。我國隨后發(fā)射了風云衛(wèi)星、高分衛(wèi)星和大氣衛(wèi)星，都搭載了溫室氣體的探測載荷，在不同的觀測體制以及儀器體制方面，開展了溫室氣體觀測。

如今，溫室氣體衛(wèi)星除了實驗目的外，也致力于嘗試解決某一方面的問題，比如二氧化碳或者甲烷的全球普查。目前，我們（國家）正在設計中國碳衛(wèi)星的下一代衛(wèi)星——TANSAT2，這顆衛(wèi)星將最終從用戶需求的角度出發(fā)來進行衛(wèi)星整體概念的設計，為未來全球碳監(jiān)測、碳盤點等方面提供數(shù)據(jù)支撐。

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