第一(yī)章 雙碳政策背景
1.1. 現(xiàn)狀分(fēn)析
自工業革命以來(lái)，由于化(huà)石燃料的燃燒、工業排放(fàng)等人(rén)類活動的快(kuài)速增加，全球大氣 CO2 濃度逐年以約 2×10－6的增速升高，已成為(wèi)導緻全球變暖的重要原因。近年來(lái)，為(wèi)減緩大氣 CO2 濃度的持續升高以遏制全球變暖，各國均制定了(le)相關(guān)減排政策。在經濟社會快(kuài)速發展的同時(shí)，我國加快(kuài)推進綠(lǜ)色低(dī)碳轉型、積極參與全球氣候治理(lǐ)，取得了(le)顯著成效。面對全球氣候變化(huà)和能(néng)源消耗問題，我國積極履行國際職責，先後簽訂《聯合國氣候變化(huà)框架公約》、《京都議(yì)定書》，并在2015年巴黎氣候大會上(shàng)提出“二氧化(huà)碳排放(fàng)2030年左後達到峰值并争取盡早達峰，單位國内生(shēng)産總值二氧化(huà)碳排放(fàng)比2005年下(xià)降60%-65%。”
但(dàn)我國産業結構、能(néng)源結構轉型任務(wù)仍任重而道遠(yuǎn)。
有研究顯示，能(néng)源消費是引起碳排放(fàng)增長的主要原因，且兩者之間(jiān)存在着長期均衡的關(guān)系，即我國能(néng)源消費每增加1%，相應的碳排放(fàng)增加0.78%；有統計表明，我國是全球碳排放(fàng)量最高的國家，碳排放(fàng)量占全球的近三分(fēn)之一(yī)。2019年，全社會碳排放(fàng)約105億噸，其中能(néng)源活動碳排放(fàng)約98億噸，占全社會碳排放(fàng)比重約87%。能(néng)源種類方面，燃煤發電和供熱排放(fàng)占能(néng)源活動碳排放(fàng)比重44%，煤炭終端燃燒排放(fàng)占比35%，石油、天然氣排放(fàng)比重分(fēn)别為(wèi)15%、6%；能(néng)源活動領域方面，能(néng)源生(shēng)産與轉換、工業領域碳排放(fàng)占能(néng)源活動碳排放(fàng)比重分(fēn)别為(wèi)47%、36%，其中工業領域鋼鐵、建材和化(huà)工三大高耗能(néng)産業占比分(fēn)别達到17%、8%和6%，除此之外，交通運輸、建築領域碳排放(fàng)占能(néng)源活動碳排放(fàng)比重分(fēn)别為(wèi)9%、8%。
1.2. 政策解析
為(wèi)遏制全球變暖的嚴峻趨勢，作(zuò)為(wèi)高速發展的碳排放(fàng)大國，2020年9月(yuè)(yuè)22日第七十五屆聯合國大會一(yī)般性辯論會上(shàng)，以及2020年12月(yuè)(yuè)12日氣候雄心峰會上(shàng)，習近平主席兩次向全世界鄭重宣布：中國提高國家自主貢獻力度，力争2030年前碳排放(fàng)達到峰值，努力争取2060年前實現(xiàn)碳中和；到2030年，中國單位GDP二氧化(huà)碳排放(fàng)将比2005年下(xià)降65%以上(shàng)，非化(huà)石能(néng)源占一(yī)次能(néng)源消費比重将達到25%左右。
目前已有127個(gè)國家承諾碳中和，這(zhè)些(xiē)國家的溫室氣體(tǐ)排放(fàng)量占全球排放(fàng)的50%，經濟總量在全球的占比超過40%。歐盟和美國都表示在2050年實現(xiàn)碳中和，英國、日本、韓國等地區紛紛提出“綠(lǜ)色新(xīn)政”，拜登将氣候變化(huà)置于内外政策的優先位置，更多發展中國家明确低(dī)碳轉型目标。“綠(lǜ)色低(dī)碳”将成為(wèi)未來(lái)很長一(yī)段時(shí)間(jiān)内的各國關(guān)鍵詞。
碳排放(fàng)峰值是指一(yī)個(gè)經濟體(tǐ)（地區）二氧化(huà)碳的最大年排放(fàng)值，而碳排放(fàng)達峰是指碳排放(fàng)量在某個(gè)時(shí)間(jiān)點達到峰值。核心是碳排放(fàng)量增速持續降低(dī)直至負增長。碳中和是指在一(yī)定時(shí)間(jiān)内直接或間(jiān)接産生(shēng)的溫室氣體(tǐ)排放(fàng)總量，通過植樹造林、節能(néng)減排等形式，以抵消自身(shēn)産生(shēng)的二氧化(huà)碳排放(fàng)量，實現(xiàn)溫室氣體(tǐ)“淨零排放(fàng)”。核心是溫室氣體(tǐ)排放(fàng)量的大幅降低(dī)，最終達到一(yī)個(gè)組織的一(yī)年内所有溫室氣體(tǐ)排放(fàng)量與溫室氣體(tǐ)清除量“收支平衡”。
作(zuò)為(wèi)世界上(shàng)最大的發展中國家，中國“3060”的決心要求僅用10年達到峰值、30年降至零排放(fàng)，中和斜率會遠(yuǎn)陡峭于歐美，減排速度要超出歐盟一(yī)倍，未來(lái)40年的碳中和任務(wù)時(shí)間(jiān)緊、任務(wù)重。
碳達峰、碳中和作(zuò)為(wèi)具有時(shí)間(jiān)緊迫性、階段性執行的國家戰略目标，同時(shí)也(yě)是排放(fàng)與吸收的收支中和過程，量化(huà)監測跟蹤是非常重要的環節。政府需要精準監測和管理(lǐ)手段，行業和企業作(zuò)為(wèi)實現(xiàn)碳中和的中堅力量，也(yě)需要監管和自我管理(lǐ)、探索優化(huà)發展的能(néng)力和工具。
當前，我國明确了(le)“雙碳”（碳達峰、碳中和）的總路(lù)徑：力争通過對能(néng)源、工業、交通、建築等重點行業提高能(néng)源使用效率和産業結構調整，推進減排，在10年之内，也(yě)就(jiù)是2030年使碳排放(fàng)達到峰值；此後，通過能(néng)源系統轉型和碳封存，用30年時(shí)間(jiān)，在2060年實現(xiàn)淨零碳。碳中和的核心概念是碳排放(fàng)量“收支相抵”，是指企業、團體(tǐ)或個(gè)人(rén)測算(suàn)在一(yī)定時(shí)間(jiān)内，直接或間(jiān)接産生(shēng)的溫室氣體(tǐ)排放(fàng)，由植樹造林、節能(néng)減排等形式進行抵消，實現(xiàn)零碳排放(fàng)。依照這(zhè)樣的概念，實現(xiàn)碳中和主要方法有兩種：（1）碳減排：遏制碳排放(fàng)，節能(néng)減排，構建低(dī)碳産業體(tǐ)系；（2）碳吸收：維護自然資源和生(shēng)态環境，植樹造林，吸收碳排放(fàng)。
第二章 “嗅碳”衛星
“嗅碳”衛星是人(rén)造地球衛星中專門用于對地球二氧化(huà)碳濃度測量的衛星，“嗅碳”衛星對二氧化(huà)碳濃度的測量精度能(néng)夠達到百萬分(fēn)之一(yī)，是人(rén)們掌握高精度二氧化(huà)碳測量數據的得力“幫手”。 目前僅有３顆“嗅碳”衛星在太空中工作(zuò)，分(fēn)别是專門測量大氣中二氧化(huà)碳濃度的美國“軌道碳觀測者２号”、觀測大氣中二氧化(huà)碳和甲烷等濃度的日本“呼吸”号以及我國新(xīn)發射的首顆碳衛星。
2.1. OCO-2衛星
軌道碳觀測衛星-2(OCO-2)是美國航空航天局(NASA)第一(yī)顆研究二氧化(huà)碳排放(fàng)的衛星。NASA希望通過OCO-2觀測了(le)解陸地與海洋吸收之外的CO2在全球大氣中的不均勻分(fēn)布，對碳排放(fàng)、碳循環進行精确地測量，提高對溫室氣體(tǐ)的自然來(lái)源與人(rén)為(wèi)排放(fàng)的理(lǐ)解，改善全球碳循環模型，更好(hǎo)(hǎo)地表征大氣中CO2的變化(huà)，進而更準确地預測全球氣候變化(huà)。
OCO-2将均勻采樣地球陸地和海洋上(shàng)空的大氣，在為(wèi)期2年時(shí)間(jiān)裏對地球受到太陽照射的一(yī)半區域每天進行50萬次采樣，以确定的精度、分(fēn)辨率和覆蓋率提供區域地理(lǐ)分(fēn)布和季節變化(huà)的完整圖像。OCO-2儀器(qì)的3個(gè)高分(fēn)辨率光譜儀将對太陽進行光學譜監測，聚焦到不同的色帶範圍，分(fēn)析測定特定顔色被CO2和氧分(fēn)子(zǐ)吸收的情況。這(zhè)些(xiē)特定顔色被吸收的光量與大氣中CO2濃度成正比，研究人(rén)員(yuán)将在計算(suàn)模型中引入這(zhè)些(xiē)新(xīn)數據以建立量化(huà)全球的碳源與碳彙。
OCO-2光譜儀的設計目标是測量太陽光經過地表反射之後，太陽光将兩次穿過地球大氣層。大氣層中的CO2分(fēn)子(zǐ)和O2分(fēn)子(zǐ)具有非常特殊的光譜特性，因此，當光線抵達OCO-2衛星有效載荷時(shí)，太陽光将在這(zhè)些(xiē)特殊譜段上(shàng)損失相應的能(néng)量，OCO-2的光栅光譜儀将太陽光散射開來(lái)，就(jiù)可以獲取相應譜段上(shàng)的CO2和O2的吸收能(néng)量，從而測量出當地大氣中CO2和O2的氣體(tǐ)含量。
表1 OCO-2載荷的性能(néng)指标
| 載荷 |
3台共視(shì)軸，高分(fēn)辨率成像光栅光譜儀 |
| 譜段 |
O2波段: 0.765 µm CO2波段1: 1.61 µm CO2波段2: 2.06 µm |
| 分(fēn)析能(néng)量 |
> 20,000 |
| 光學系統快(kuài)速參數 |
f/1.8，高信噪比 |
| 掃描幅寬（穿軌向視(shì)場(chǎng)角14 mrad） |
-星下(xià)點幅寬10.6km（由705km軌道高度和開縫寬度決定） |
| 空間(jiān)分(fēn)辨率 |
1.29 km×2.25 km |
| 載荷重量、功耗 |
140kg，105W |
2.2. GOSAT衛星
日本環境部、日本國家環境研究所，及日本宇宙航空研究開發機構利用溫室氣體(tǐ)觀測衛星"伊吹"（GOSAT）獲得的數據和晴天觀測的數據分(fēn)析，提供全球大氣中二氧化(huà)碳和甲烷的氣柱平均濃度（在垂直地表人(rén)的大氣柱中，單位面積所含相關(guān)甲烷量與幹燥空氣量的體(tǐ)積比）的數據産品。采用由此獲得的二氧化(huà)碳氣柱平均濃度，用大氣傳輸模型的反解分(fēn)析（逆模型解析），來(lái)測算(suàn)全球各區域二氧化(huà)碳的吸收和排出的淨值情況（來(lái)自自然和人(rén)為(wèi)的二氧化(huà)碳的淨吸收排放(fàng)）。
日本GOSAT是世界上(shàng)第一(yī)顆專門用于探測大氣CO2的超光譜衛星。GOSAT的軌道高度為(wèi)666km，每天繞地球14圈，回歸周期為(wèi)3天，其上(shàng)搭載的TANSO-FST 傳感器(qì)是一(yī)台邁克爾遜幹涉儀，可獲得3個(gè)短波紅(hóng)外範圍的窄波段（0.76um、1.6 um和 2.0 um）和一(yī)個(gè)熱紅(hóng)外寬波段（5.5—14.3 um）的吸收超光譜。TANSO-FST的瞬時(shí)視(shì)場(chǎng)為(wèi)15.8 mrad，對應地表水平面高度上(shàng)的天底“腳印”直徑10.5 km。 TANSO-FST 獲得的超光譜波譜數據經處理(lǐ)可獲得 XCO2産品。
GOSAT 短波紅(hóng)外 CO2二級産品是GOSAT單點觀測的大氣整層的 XCO2，它由 GOSAT 獲取的3個(gè)短波紅(hóng)外吸收光譜采用最優估計的方法反演得到。GOSAT短波紅(hóng)外波譜經雲濾除及其他預處理(lǐ)，獲得可用于反演的無雲吸收光譜，在獲取先驗知識基礎上(shàng)，采用最優估計方法反演大氣 XCO2，最後經質量濾除，得到整層大氣的XCO2産品。
觀測傳感器(qì)是GOSAT衛星的核心部門，主要包括：傅裏葉變換光譜儀（FTS）、雲和氣溶膠成像儀（CAI），FTS用于溫室氣體(tǐ)探測，CAI用于同步收集雲和氣溶膠信息。兩者合稱為(wèi)TANSO（Thermal And Near-infrared Sensor for carbon Observation）
表2 TANSO-FTS傳感器(qì)觀測參數
| 波段 |
Band 1 |
Band 2 |
Band 3 |
Band 4 |
| 光譜範圍（μm） |
0.758-0.775 |
1.56-1.72 |
1.92-2.08 |
5.56-14.3 |
| 光譜分(fēn)辨率（mm） |
0.2 |
|||
| 觀測目标 |
O2 |
CO2、CH4、H2O |
CO2、CH4、H2O、卷雲 |
CO2、CH4、卷雲 |
| 極化(huà)方式 |
P、S |
無 |
||
| 信噪比 |
>300 |
|||
表3 TANSO-CAI主要參數
| 波段 |
Band 1 |
Band 2 |
Band 3 |
Band 4 |
| 光譜範圍（μm） |
0.370-0.390 |
0.668-0.688 |
0.860-0.880 |
1.56-1.65 |
| 中心波長（μm） |
0.380 |
0.674 |
0.870 |
1.6 |
| 觀測目标 |
雲層、氣溶膠 |
|||
| 觀測幅寬（km） |
1000 |
750 |
||
| 星下(xià)點空間(jiān)分(fēn)辨率（m） |
500 |
1500 |
||
GOSAT衛星産品：
JAXA負責将接收的原始數據（L0級數據）處理(lǐ)為(wèi)L1級光譜産品後，由NIES負責開發數據處理(lǐ)算(suàn)法、驗證數據整理(lǐ)，并分(fēn)發管理(lǐ)更高級别的數據産品；NOE負責推動數據産品的應用。按照數據處理(lǐ)過程，GOSAT産品可以分(fēn)為(wèi)以下(xià)幾個(gè)級别：
（1）L0級産品：地面接收站(zhàn)接收到的原始幹涉圖、相應的未定标圖像數據級輔助數據。
（2）FTS-L1A産品：包括原始幹涉圖、定标數據、時(shí)間(jiān)記錄信息
傳感器(qì)狀态參數和尺度轉換相關(guān)參數。
（3）FTS-SWIR L1B産品：經過相位校(xiào)正、傅裏葉逆變換，并經過輻射定标、光譜定标、幾何定位後的短波紅(hóng)外光譜數據。
（4）FTS-TIR L1B産品：經過黑體(tǐ)輻射定标後的熱紅(hóng)外光譜數據。
（5）CAI L1B産品：經過輻射定标、幾何校(xiào)正後的光譜數據。
（6）FTS-SWIR L2産品：根據CO2和CH4吸收光譜反演得到的CO2和CH4平均柱濃度。
（7）FTS-TIR L2産品：利用FTS熱紅(hóng)外波段反演得到的CO2和CH4垂直廓線資料。
（8）CAI L2産品：雲标示産品。
（9）FTS L3産品：根據CO2和CH4濃度數據，經過克裏金(jīn)插值後得到的全球2.5°×2.5°月(yuè)(yuè)平均濃度分(fēn)布數據。
（10）CAI L3産品：包括全球輻射分(fēn)布、全球反照率産品、NDVI、全球雲及氣溶膠屬性産品。
（11）L4A級産品：全球劃分(fēn)為(wèi)64個(gè)區域，利用FTS-SWIR L2數據結合地表觀測數據，經大氣傳輸模型反演得到的CO2月(yuè)(yuè)平均通量産品。
（12）L4B級産品：基于L4A産品得到的全球2.5°×2.5°，6h平均三維CO2濃度産品。
2.3. TANSAT衛星
碳衛星（TANSAT）是由中國自主研制的首顆全球大氣二氧化(huà)碳觀測科學實驗衛星。
碳衛星總質量620千克，搭載一(yī)體(tǐ)化(huà)設計的兩台科學載荷，分(fēn)别是高光譜二氧化(huà)碳探測儀以及起輔助作(zuò)用的多譜段雲與氣溶膠探測儀。
TANSAT衛星主要有3種觀測模式，分(fēn)别是天底模式、耀斑模式和目标模式。探測儀器(qì)的視(shì)線指向當地的最低(dī)點（即天底觀測模式，Nadir observation） 或者是閃爍的光點（即耀斑觀測模式，Glint observation），還可以瞄準選定的地球表面校(xiào)準和驗證點（即目标觀測模式，Target observation）。Nadir觀測模式提供了(le)最佳的水平空間(jiān)分(fēn)辨率，并有望在部分(fēn)多雲地區或地形上(shàng)産生(shēng)更多有用的 XCO2探測。Glint觀測模式在黑暗、鏡面表面有比較大的信噪比，預計在海洋上(shàng)會産生(shēng)更有用的探測結果。通常，碳衛星在Nadir觀測模式和Glint觀測模式之間(jiān)交替進行。Target觀測是在碳衛星驗證點上(shàng)進行的，并收集成千上(shàng)萬的觀測數據，大量的測量減少了(le)随機誤差的影響，并提供了(le)識别目标附近XCO2場(chǎng)空間(jiān)變異性的信息。
目前，碳衛星已經對外共享了(le)經過定标後的L1B光譜數據集，所有産品文件都是以層次型科學數據格式HDF-5發布。這(zhè)種格式有助于創建邏輯數據結構，通過将數據産品組織到文件夾和子(zǐ)文件夾中，每個(gè)文件對應一(yī)個(gè)軌道連續模式的數據集。
表4 中國碳衛星技術參數表
| 中國碳衛星技術參數 |
|
| 軌道類型 |
太陽同步軌道 |
| 軌道标稱高度 |
712千米 |
| 軌道傾角 |
98.16º |
| 軌道保持偏心率 |
≤0.002272 |
| 軌道周期 |
98.89分(fēn)鍾 |
| 升交點地方時(shí) |
13:30 |
| 姿态穩定方式 |
三軸穩定 |
| 衛星發射重量 |
620千克 |
| 衛星平均功率 |
600瓦 |
| 衛星在軌飛行尺寸 |
1.50米×1.80米×1.85米 [6] |
| 設計壽命 |
3年 [12] |
載荷設備：
1、高光譜溫室氣體(tǐ)探測儀
碳衛星搭載了(le)一(yī)台高空間(jiān)分(fēn)辨率的高光譜溫室氣體(tǐ)探測儀，高光譜與高空間(jiān)分(fēn)辨率大氣二氧化(huà)碳探測儀(Atmospheric Carbon-dioxide Grating Spectrometer ACGS)：重約170kg，功率約為(wèi)700w，其基于大氣吸收池原理(lǐ)，利用對地球反射的近紅(hóng)外/短波紅(hóng)外太陽輻射對大氣中二氧化(huà)碳的含量進行探測，獲取高精度的大氣吸收光譜。對吸收光譜的強弱進行嚴格定量測量，綜合氣壓、溫度等輔助信息并排除大氣懸浮微粒等幹擾因素，應用反演算(suàn)法即可計算(suàn)出衛星在觀測路(lù)徑上(shàng)二氧化(huà)碳的柱濃度。通過對全球柱濃度的序列分(fēn)析，并借助數據同化(huà)系統的一(yī)系列模型，可推演出全球二氧化(huà)碳的通量變化(huà)。本載荷采用大面積衍射光栅對吸收光譜進行細分(fēn)，能(néng)夠探測2.06μm、1.6μm、0.76μm 三個(gè)大氣吸收光譜通道，最高分(fēn)辨率達到0.04nm。
探測儀的工作(zuò)原理(lǐ)，是在可見光和近紅(hóng)外譜段，利用分(fēn)子(zǐ)吸收譜線探測二氧化(huà)碳等溫室氣體(tǐ)濃度。高光譜二氧化(huà)碳探測儀設有3個(gè)通道，其中，在760納米的O2-A通道的光譜分(fēn)辨率最高可以達到0.04納米，能(néng)夠捕獲植被日光誘導葉綠(lǜ)素熒光對Fe（758納米）和KI（771納米）兩個(gè)太陽弗朗霍夫暗線的填充效應，從而不僅能(néng)對全球大氣中二氧化(huà)碳濃度進行動态監測，還能(néng)高精度反演植被葉綠(lǜ)素熒光。衛星尺度葉綠(lǜ)素熒光能(néng)夠精确估算(suàn)全球植被光合生(shēng)産力，結合同步反演的大氣二氧化(huà)碳濃度數據，二者協同将能(néng)夠極大提升全球碳源彙觀測能(néng)力。
表5 高空間(jiān)分(fēn)辨率的高光譜溫室氣體(tǐ)探測儀參數表
| 光譜範圍（nm） |
通道數量 |
光譜分(fēn)辨率（nm） |
信噪比 |
監測對象 |
| 758-776 |
1024 |
0.044 |
360 |
O2含量（A帶） |
| 1594-1624 |
512 |
0.125 |
250 |
CO2含量（弱吸收帶） |
| 2041-2081 |
512 |
0.165 |
180 |
CO2含量（強吸收帶） |
2、雲與氣溶膠偏振成像儀
碳衛星還搭載了(le)一(yī)台多譜段的雲與氣溶膠偏振成像儀，成像儀可以測量雲、大氣顆粒物等輔助信息，為(wèi)科學家精确反向推演二氧化(huà)碳濃度剔除幹擾因素，還可以幫助氣象學家提高天氣預報(bào)的準确性，并為(wèi)研究PM2.5等大氣污染成因提供重要數據支撐。
作(zuò)為(wèi)中國首顆碳衛星載荷，高光譜溫室氣體(tǐ)探測儀、雲與氣溶膠偏振成像儀為(wèi)溫室氣體(tǐ)排放(fàng)、碳核查等領域的研究提供基礎數據，為(wèi)節能(néng)減排等宏觀決策提供數據支撐，增加了(le)中國在國際碳排放(fàng)方面的話(huà)語權。
表6 多譜段雲與氣溶膠偏振成像儀參數表
| 中心波長（nm） |
光譜帶寬（nm） |
極化(huà)角度 |
空間(jiān)分(fēn)辨率（m） |
| 380 |
43 |
- |
250 |
| 670 |
50 |
0°,60°,120° |
250 |
| 870 |
30 |
- |
250 |
| 1375 |
30 |
- |
1000 |
| 1640 |
20 |
0°,60°,120° |
1000 |
第三章 衛星遙感對雙碳政策的技術支持
3.1. 熱紅(hóng)外遙感數據支持
熱紅(hóng)外遙感是利用熱紅(hóng)外波段研究地球物質特性的技術手段，可以獲取地球表面溫度，在城市(shì)熱島效應、林火(huǒ)監測、旱災監測等領域有很好(hǎo)(hǎo)的應用價值。
表7 主要星載熱紅(hóng)外傳感器(qì)
| 傳感器(qì) |
衛星平台 |
熱紅(hóng)外波段數 |
熱紅(hóng)外光譜範圍 （μm） |
空間(jiān)分(fēn)辨率 |
寬幅 |
| ASTER高級空間(jiān)熱輻射熱反射探測器(qì) |
EOS (美國) |
5 |
8.125-8.475 8.475-8.825 8.925-9.275 10.25-10.95 10.95-11.65 |
90m |
60kmx60km |
| AVHRR甚高分(fēn)辨率輻射儀 |
NOAA (美國) |
3 |
3.55-3.93 10.30-11.30 11.50-12.50 |
1.1km |
2800km |
| MODIS中等高分(fēn)辨率成像光譜輻射儀 |
EOS （美國） |
16 |
20：3.660-3.840 21：3.929-3.989 22：3.929-3.989 23：4.020-4.080 24：4.433-4.498 25：4.482-4.549 27：6.535-6.895 28：7.175-7.475 29：8.400-8.700 30：9.580-9.880 31：10.780-11.280 32：11.770-12.270 33：13.185-13.485 34：13.485-13.785 35：13.785-14.085 36：14.085-14.385 |
1km |
|
| ETM+/TM6 |
Landsat （美國） |
1 |
10.0-12.9 10.4-12.5 |
60m（重采樣為(wèi)30米） 120m |
185kmx185km |
| IRS紅(hóng)外相機 |
HJ-1A/B (中國) |
2 |
3.50 -3.90 10.5-12.5 |
150m 300m |
720kmx720km |
| Landsat8 TIRS |
Landsat （美國） |
2 |
10.60-11.20 11.50-12.50 |
100（重采樣為(wèi)30米） |
185kmx185km |
針對雙碳政策，利用熱紅(hóng)外遙感技術進行對地溫度反演，對于監測全球氣候變暖也(yě)被廣泛的關(guān)注，近年來(lái)，與地表溫度（LST）反演、大氣輻射傳輸有關(guān)的應用需求增長較快(kuài)，大氣輻射傳輸的過程研究與定量化(huà)反演蓬勃發展，如(rú)大氣輻射傳輸理(lǐ)論模型。
此外，CO2濃度的時(shí)空分(fēn)布梯度與地表碳通量呈相關(guān)關(guān)系，熱紅(hóng)外波長大與4微米，大氣散射輻射不僅是大氣溫度的函數，而且也(yě)是大氣内部組成的函數。對于一(yī)個(gè)特定波長，吸收系數與大氣組成、溫度和壓力有關(guān)。一(yī)般大氣對熱紅(hóng)外輻射的衰減主要是由氣體(tǐ)分(fēn)子(zǐ)的吸收和氣體(tǐ)分(fēn)子(zǐ)、氣溶膠的散射所引起的，大氣對熱紅(hóng)外的吸收體(tǐ)主要是CO2、水汽和O3：
O3吸收帶為(wèi)9.6微米，但(dàn)于航空遙感而言，O3在低(dī)空分(fēn)布較少，可以不予考慮；水在低(dī)空一(yī)般以氣态形态存在，水蒸氣在8.0-12.5微米為(wèi)連續吸收帶，H2O中心吸收帶為(wèi)6.3微米；CO2主要吸收帶為(wèi)4.3微米、15微米，在8.0-12.5微米無強吸收帶，在9.4微米和10.4微米有弱吸收帶。熱紅(hóng)外探測的主要估算(suàn)方法是通過已知大氣溫度廓線推算(suàn)吸收氣體(tǐ)濃度及吸收系數，一(yī)般來(lái)說(shuō)，随着氣體(tǐ)濃度的增大，相應的波段可探測到的大氣層也(yě)越高。通過利用已知的溫度廓線調整測量和模拟的輻射值，可估算(suàn)吸收氣體(tǐ)濃度。
通過大氣傳輸反演模型，可以估算(suàn)與大氣濃度分(fēn)布相一(yī)緻的碳通量的空間(jiān)分(fēn)布，在熱紅(hóng)外波段，地表溫度和大氣輻射明顯高于太陽輻射及地表和大氣反射，但(dàn)當波長小于3微米時(shí)，地球觀測衛星儀器(qì)系統可以觀測太陽輻射、地表反射以及大氣散射的輻射。反射表現(xiàn)出能(néng)夠反映輻射傳輸過程的一(yī)些(xiē)波譜變化(huà)。所謂“大氣窗口”波譜段，就(jiù)是透過率較高，大氣輻射随地表反射函數而變化(huà)的波段。在其他的波段，電磁波通過大氣層時(shí)較多被吸收，測量結果是大氣吸收物質數量的函數。高波譜分(fēn)辨率觀測技術可以識别不同氣體(tǐ)的吸收線，從相對深度中獲取不同大氣分(fēn)子(zǐ)的濃度數據。
圖1 不同大氣成分(fēn)的大氣窗口
3.2. “一(yī)張圖”處理(lǐ)分(fēn)析
針對雙碳政策，集合遙感、土(tǔ)地利用、社會經濟地理(lǐ)數據以及基礎地理(lǐ)信息等多源信息，共同構建統一(yī)的“雙碳”時(shí)空監管平台，助力推進“雙碳”與時(shí)空大數據結合，探索碳的時(shí)空分(fēn)布特征，對碳排放(fàng)量和空間(jiān)分(fēn)布、強度進行量化(huà)客觀監測和溯源，實現(xiàn)資源開發利用的動态監管。
首先，建立“雙碳”專題數據庫，統一(yī)管理(lǐ)多源異構數據，整合海量時(shí)空地理(lǐ)數據、遙感影像數據、三維動态建模數據以及各級各類圖表數據規範化(huà)管理(lǐ)，滿足各級各類數據管理(lǐ)需要。
其次，“雙碳”時(shí)空信息多維度分(fēn)析，梳理(lǐ)數據與各業務(wù)流程之間(jiān)的邏輯關(guān)系，加強空間(jiān)分(fēn)析能(néng)力，實現(xiàn)海量空間(jiān)數據快(kuài)速組織，實現(xiàn)檢查入庫、數據更新(xīn)、編輯查詢、統計輸出、交換發布等一(yī)體(tǐ)化(huà)數據綜合管理(lǐ)，增強快(kuài)速響應多用戶、大數據下(xià)的數據服務(wù)能(néng)力。
最後，優化(huà)“雙碳”時(shí)空大數據可視(shì)化(huà)展示，優化(huà)可視(shì)化(huà)渲染效果，二維地圖與三維建模相結合，多維度展現(xiàn)“雙碳”時(shí)空分(fēn)布特點。
圖2 中國大氣XCO2平均濃度示意圖
圖3 2015年全球平均二氧化(huà)碳濃度（NASA）
3.3. CO2氣體(tǐ)大氣層的柱濃度監測
CO2的柱平均幹空氣柱濃度摩爾分(fēn)數 （簡稱CO2的平均柱濃度） 是将二氧化(huà)碳柱總量用同時(shí)從O2-A帶反演得到的氧氣柱總量歸一(yī)化(huà)後得到的。因為(wèi) O2分(fēn)子(zǐ)在空氣中的變化(huà)十分(fēn)微小，是一(yī)種被廣泛認可的、可以準确計算(suàn)空氣柱含量的氣體(tǐ)。所以近地面CO2平均柱濃度 （幹燥空氣下(xià)）可以表達為(wèi)：
XCO2=CO2col/（O2col/O2mf）
式中：XCO2表示CO2平均柱濃度（幹燥空氣下(xià)），單位為(wèi)mg/L；CO2col表示反演的CO2的絕對柱總量，單位為(wèi)mol/cm2；O2col表示反演的O2絕對柱總量，單位為(wèi)mol/cm2；O2mf為(wèi)轉換常數，用于将O2的柱含量轉化(huà)為(wèi)幹燥空氣的柱含量，一(yī)般取值為(wèi)0.2095。CO2絕對柱總量和O2絕對柱總量是分(fēn)别反演得到的。
通過嗅碳衛星，如(rú)TANSAT，結合氣溶膠數據和HITRAN2012大氣分(fēn)子(zǐ)吸收譜數據庫可以對CO2氣體(tǐ)大氣層的柱濃度進行反演估算(suàn)。
圖4 全球XCO2 數據時(shí)空尺度統合後的月(yuè)(yuè)均值
