The Innovation | 基于近实时数据和空间技术的全球碳监测策略

导 读

作为全球应对气候变化与实现碳中和的基础，人类活动二氧化碳排放的准确量化与监测一直存在巨大的科学挑战。当前人类活动碳排放的量化主要通过能源统计基础上的碳排放核算来实现，而非基于直接观测数据，在可靠性、及时性及时空分辨率上亟待提高，急需技术手段和研究范式的革新。为此，本文探讨一种结合近实时碳数据和空间卫星观测手段的碳排放监测策略，通过自下而上方法与自上而下手段的结合，实现科学、准确、可靠的全球碳监测。

图1 全球碳监测策略框架

作为极具发展潜力的碳排放量化监测手段，卫星遥感监测具有实时、连续、大范围、可重复观测等优点，正在成为全球碳盘点方法的重要支撑技术之一。欧洲、日本、美国、加拿大和中国相继发射了具备大气CO₂浓度观测能力的卫星。2016年12月，中国首颗自主研制的全球大气二氧化碳观测实验卫星发射成功，实现了在全球大气CO₂浓度、叶绿素荧光监测等方面的数据采集，取得系列重要成果。2018年5月，搭载温室气体监测仪的中国高分五号卫星成功发射。2022年4月国际首颗搭载CO₂探测激光雷达的中国大气环境监测卫星成功发射。这一系列进展标志着基于卫星的二氧化碳温室气体观测已进入到快速发展阶段。

然而，由于碳排放信号自身特性与卫星观测的局限性，目前仍无法将卫星观测手段作为完全独立的核算方法，主要原因在于：(1)卫星观测到的地面二氧化碳信息是二氧化碳的大气浓度值，其相当于二氧化碳的存量，受到陆地森林、海洋碳吸收作用的影响并且有很强的季节和气候效应。而人类活动的碳排放量是指人类活动造成的二氧化碳的流量，在宏观上受到自然碳源汇的显著影响，卫星观测到的二氧化碳浓度信号需要模式和模型转换才能得到二氧化碳排放的信息。(2)在卫星捕捉到的区域，人为排放信号远小于大气输送和气候相关的年际变化驱动的浓度变化。背景值波动往往会掩盖人类信号，因而很难提取人为源碳排放。(3)单颗卫星观测的分辨率和覆盖范围难以兼顾。卫星观测受轨道和幅宽限制，同一时间段仅能扫描到传感器覆盖范围内的信号，难以实现同一时空的大范围观测，而高频率观测又对卫星的重访周期有很高的要求。

本文探讨了一种基于近实时数据和空间技术的全球碳监测策略。该策略包括三个关键步骤：1、基于近实时数据绘制出全球高时空分辨率碳地图，2、基于卫星技术来监测重点排放源，3、基于全球卫星组网观测（随着空间观测有效数据的不断累积，该空间监测系统将满足全球碳监测的时空覆盖和分辨率需求）。

01

绘制全球近实时碳排放地图

在前期研究中，通过卫星观测、排放核算、统计、模拟等多维度技术融合，建立基于人类活动数据的碳排放近实时量化的方法学，人类活动碳排放日尺度近实时数据库已逐步被建立起来。后续可研究通过结合地理信息数据（如点源、路网、航线等）和卫星遥感数据等空间代理因子，进一步绘制出日尺度的全球近实时碳排放地图。该地图可以作为先验数据辅助检测全球潜在的排放重点、热点区域，为卫星观测方法提供可靠的基线数据和验证数据。近实时碳排放数据库和碳地图提供了可以匹配卫星时空分辨率和时滞信息的基础数据，为有的放矢地开展碳排放监测提供了技术支撑。

02

基于卫星观测的全球重点排放源监测

在全球碳排放地图确定重点排放源的基础上，可进一步利用卫星技术聚焦城市和工厂等大型重点排放源开展监测，发挥卫星在高分辨率和强时效性方面的优势。例如，具有千米级空间分辨率的对流层观测仪(TROPOMI)可以及时检测井喷事故带来的大型甲烷泄露以及甲烷的超级排放源。通过对重点排放源的持续精准监测，我们能够积累海量卫星观测数据来对同化和反演模型进行训练和校准，为基于卫星组网的大规模碳排放监测提供坚实基础。

未来主要研究方向：(1)协同多源卫星以满足不同研究需求。例如，GOSAT采样稀疏但是覆盖全球，能获取3日重访周期与长时间序列连续数据，可以实现全球粗尺度的碳监测。又如，灵敏度高但空间覆盖受限的GHGSat、具有高空间分辨率的Sentinel-2和WorldView-3等多光谱卫星能够实现点源精确的碳监测。通过结合多空间和光谱分辨率的卫星，可以在不同尺度上检测排放增强与气体羽流。(2)随着GeoCarb、Carbon Mapper和CO₂M等卫星任务携带更灵敏的仪器连续观测XCO₂和XCH₄，预期可以实现宽幅、高空间分辨率、高重访频次以及高精度观测等目标。(3)人工智能和机器学习算法可以挖掘卫星图像中没有直接反映的特征。例如，为增强CO₂卫星观测值的信号，从而提高反演结果的精确性，机器学习方法已被用于自动检测羽流和排放源、监测点源工厂的运行状态和对应排放量等方面。

03

全球卫星组网观测

卫星组网观测是未来的发展趋势，利用数百颗不同轨道、不同分辨率的观测卫星组网实现对二氧化碳和甲烷高频率、大范围的连续观测，不断提高近实时全球碳排放地图和碳同化模型的时空精度，最终实现高精度的全球碳排放监测。

空天地综合观测系统是对天基(卫星)观测数据的重要补充。地面监测站点所提供的高精度现场测量值对卫星数据的校验起到关键作用。例如，目前正在实施的欧盟哥白尼计划CoCO₂项目(https://coco2-project.eu/)和美国NASA碳监测项目(https://carbon.nasa.gov/)，能够加速融合多观测源并提供可验证和透明的数据产品。

数据共享和计算平台将有效提高数据使用效率，以应对综合观测系统产生的大规模数据。当前，欧盟的数据共享平台——“哥白尼气候变化服务(C3S)”，正在提供全球数据共享服务。哥白尼气候数据存储 (CDS) 工具箱 (https://cds.climate.copernicus.eu/) 和谷歌地球引擎 (https://code.earthengine.google.com/）等云计算平台具有大规模存储和高性能计算能力，能够汇集更多可用的观测数据集，提高地球系统建模和反演同化系统的计算能力，有助于提升全球碳监测的时空精度。

总结与展望

本文探讨了一种全球碳监测的策略：结合近实时碳数据和卫星观测的优势，该策略通过近实时人类活动数据构建近实时全球碳排放地图，提供同一时段高空间分辨率的全景碳排放信息，这相当于为卫星观测提供了底图。基于活动数据构建的近实时碳排放地图可以提供先验信息，在一定程度上约束卫星反演算法；卫星对排放点源的持续观测反过来可以提高碳排放地图的精度，进而形成相互促进的更新机制，逐渐形成基于卫星组网独立观测人为排放的方法。基于这一机制，未来将与即将发射的卫星相结合，形成综合观测网络，逐步将监测范围从关键排放点源扩展至全球范围，为国际气候条约与气候政策实施提供数据支撑，助力更准确和透明的全球盘点。

责任编辑

杨智荣    中国科学院深圳理工大学

龚   斌    Brunel University London

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00142-4

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第四卷第一期以Perspective发表的“A Carbon Monitoring Strategy through Near-real-time Data and Space Technology” (投稿: 2022-07-22；接收: 2022-11-01；在线刊出: 2022-11-04)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100346

引用格式：Liu Z., Deng Z., Huang X. (2022). A Carbon Monitoring Strategy through Near-real-time Data and Space Technology. The Innovation. 4(1),100346.

作者简介

刘 竹，清华大学地球系统科学系副教授、博士生导师，国际科学计划Carbon Monitor负责人，研究方向为碳排放的量化评估，全球变化人为因素等，在科学通报、中国科学、Nature、Science等学术刊物发表论文90余篇。获得德国联邦科教部绿色精英奖、中国科学院院长特别奖、中国科学院百篇优秀博士论文，博士论文获Springer全球优秀博士论文奖并被出版为英文独著。

全球实时碳数据：https://carbonmonitor.org/  

全球近实时碳地图：https://carbonmonitor-graced.com/

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The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球49个国家；已被112个国家作者引用；每期1/4-1/3通讯作者来自海外。目前有195位编委会成员，来自21个国家；50%编委来自海外；包含1位诺贝尔奖获得者，33位各国院士；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC等数据库收录。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。

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