全球碳盤點，衛(wèi)星來幫忙

 

國際衛(wèi)星對地觀測委員會明確提出，將在2025年形成星座業(yè)務化運行，支撐2028年全球碳盤點

 

基于傳統(tǒng)地面站點的觀測數(shù)據(jù)，難以準確了解溫室氣體的源匯變化特征和機制。而衛(wèi)星遙感具有客觀、連續(xù)、穩(wěn)定、大范圍、重復觀測的優(yōu)點，也正在成為新一代、國際認可的全球碳盤點方法。國際衛(wèi)星對地觀測委員會明確提出，將在2025年形成星座業(yè)務化運行，支撐2028年全球碳盤點。

 

迄今，國際上歐洲、日本、美國、加拿大和中國相繼發(fā)射了具備大氣CO2濃度觀測能力的衛(wèi)星。日本于2009年成功發(fā)射GOSAT衛(wèi)星，這是第一顆專門用于大氣溫室氣體CO2和CH4探測的衛(wèi)星，至今運行良好，后續(xù)的GOSAT系列衛(wèi)星則致力于實現(xiàn)更高精度、更強空間覆蓋能力。美國在溫室氣體遙感探測方面走在國際前列——2021年12月，美國白宮發(fā)布了《美國空間優(yōu)先框架》，明確美國將優(yōu)先支持應對氣候變化行動的衛(wèi)星遙感計劃，通過政府、私營和慈善機構之間的合作，利用地球觀測數(shù)據(jù)支持美國和國際社會應對氣候危機。

 

中國近年來在溫室氣體衛(wèi)星遙感探測方面也是突飛猛進。2016年12月，首顆碳衛(wèi)星發(fā)射，這是中國自主研制的全球大氣二氧化碳觀測實驗衛(wèi)星，其數(shù)據(jù)在全球大氣CO2濃度、葉綠素熒光監(jiān)測等方面取得系列重要成果。2018年5月，高分五號衛(wèi)星成功發(fā)射，搭載的溫室氣體監(jiān)測儀GMI的主要功能是定量監(jiān)測CO2和CH4的全球濃度分布變化。

 

同時，我國還在不斷醞釀新的衛(wèi)星計劃。未來計劃發(fā)射的風云三號08星上搭載的高光譜溫室氣體監(jiān)測儀，通過對近紅外、短波紅外譜段連續(xù)高精度、高光譜分辨率、高空間分辨率和高采樣率觀測，實現(xiàn)全球大氣溫室氣體的高精度定量反演。2022年4月發(fā)射的大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星是國際首顆搭載CO2探測激光雷達的衛(wèi)星。

 

衛(wèi)星還要掌握哪些“本領”？

 

不僅能“看”，還要能“算”

 

當前衛(wèi)星遙感可以探測大氣CO2濃度，但是對于決策部門而言，更想了解大氣CO2的來源并提取出其中來自人類活動排放的部分。這對衛(wèi)星遙感系統(tǒng)而言是一項挑戰(zhàn)。

 

利用衛(wèi)星開展生態(tài)系統(tǒng)碳匯估算的方法主要分為三類：基于溫室氣體濃度探測的同化反演的“自上而下”方法、基于生態(tài)過程模型模擬的“自下而上”方法以及基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的機器學習模型方法。然而，各種方法的碳源匯估算均存在不確定性。

 

總體來說，全球碳源匯的巨大不確定性既源于碳循環(huán)模式的理論和認知缺陷，又包括缺乏精細時空分辨率的觀測數(shù)據(jù)。由國際地圈-生物圈計劃、全球環(huán)境變化人文因素計劃和世界氣候研究計劃共同發(fā)起了全球碳計劃,其關鍵是準確量化全球碳循環(huán)格局和變率。我國于2010年啟動的全球變化研究國家重大科學研究計劃、2016年啟動的國家重點研發(fā)計劃“全球變化及應對”專項中，摸清生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)均為核心任務之一。2017年立項的國家重點研發(fā)計劃項目“全球生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)關鍵參數(shù)立體觀測與反演”，其核心任務是研制覆蓋全球、參數(shù)完備、時空分辨率精細、連續(xù)一致的碳循環(huán)關鍵參數(shù)產(chǎn)品，共包含24種全球碳循環(huán)關鍵參數(shù)的長時間序列空間觀測產(chǎn)品。這些豐富的碳循環(huán)關鍵參數(shù)產(chǎn)品，為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳源匯的動態(tài)精細評價提供了重要基礎數(shù)據(jù)。

 

除了提高觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量與數(shù)量，還需考慮如何充分利用大量多源的觀測資料，協(xié)同地面和遙感技術手段，降低模型不確定性，可以進一步提高模型估計陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳速率準確性。

 

我們認為，全球碳同化系統(tǒng)是解決這一問題的有效途徑。聯(lián)合同化衛(wèi)星和地面大氣CO2濃度、站點通量數(shù)據(jù)、遙感地表參數(shù)等數(shù)據(jù)，同時優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)和人為源碳通量是全球碳同化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。2016年，南京大學發(fā)展了全球碳同化系統(tǒng)，能更好地揭示不同地區(qū)陸地碳匯的時空分布和年際變化，該系統(tǒng)已經(jīng)具備了業(yè)務運行能力。

 

由于人為源碳排放和陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量混合，如何利用碳同化系統(tǒng)優(yōu)化計算人為源碳排放，是科學家們力圖解決的重要問題，也是實現(xiàn)碳中和目標的重要技術需求。發(fā)展區(qū)域高分辨率碳同化系統(tǒng)同化大氣濃度觀測數(shù)據(jù)，是進行人為源碳排放優(yōu)化估算的有效手段。 本`文@內(nèi)-容-來-自；中^國_碳0排0放^交-易=網(wǎng) ta n pa i fa ng . co m