第一(yī / yì ／yí)章 雙碳政策背景

1.1. 現狀分析

       自工業革命以(yǐ)來(lái)，由于(yú)化石燃料的(de)燃燒、工業排放等人(rén)類活動的(de)快速增加，全球大(dà)氣 CO2 濃度逐年以(yǐ)約 2×10－6的(de)增速升高，已成爲(wéi / wèi)導緻全球變暖的(de)重要(yào / yāo)原因。近年來(lái)，爲(wéi / wèi)減緩大(dà)氣 CO2 濃度的(de)持續升高以(yǐ)遏制全球變暖，各國(guó)均制定了(le／liǎo)相關減排政策。在(zài)經濟社會快速發展的(de)同時(shí)，我國(guó)加快推進綠色低碳轉型、積極參與全球氣候治理，取得了(le／liǎo)顯著成效。面對全球氣候變化和(hé / huò)能源消耗問題，我國(guó)積極履行國(guó)際職責，先後簽訂《聯合國(guó)氣候變化框架公約》、《京都議定書》，并在(zài)2015年巴黎氣候大(dà)會上(shàng)提出(chū)“二氧化碳排放2030年左後達到(dào)峰值并争取盡早達峰，單位國(guó)内生産總值二氧化碳排放比2005年下降60%-65%。” 

       但我國(guó)産業結構、能源結構轉型任務仍任重而(ér)道(dào)遠。

       有研究顯示，能源消費是(shì)引起碳排放增長的(de)主要(yào / yāo)原因，且兩者之(zhī)間存在(zài)着長期均衡的(de)關系，即我國(guó)能源消費每增加1%，相應的(de)碳排放增加0.78%；有統計表明，我國(guó)是(shì)全球碳排放量最高的(de)國(guó)家，碳排放量占全球的(de)近三分之(zhī)一(yī / yì ／yí)。2019年，全社會碳排放約105億噸，其中能源活動碳排放約98億噸，占全社會碳排放比重約87%。能源種類方面，燃煤發電和(hé / huò)供熱排放占能源活動碳排放比重44%，煤炭終端燃燒排放占比35%，石油、天然氣排放比重分别爲(wéi / wèi)15%、6%；能源活動領域方面，能源生産與轉換、工業領域碳排放占能源活動碳排放比重分别爲(wéi / wèi)47%、36%，其中工業領域鋼鐵、建材和(hé / huò)化工三大(dà)高耗能産業占比分别達到(dào)17%、8%和(hé / huò)6%，除此之(zhī)外，交通運輸、建築領域碳排放占能源活動碳排放比重分别爲(wéi / wèi)9%、8%。

1.2. 政策解析

       爲(wéi / wèi)遏制全球變暖的(de)嚴峻趨勢，作爲(wéi / wèi)高速發展的(de)碳排放大(dà)國(guó)，2020年9月22日第七十五屆聯合國(guó)大(dà)會一(yī / yì ／yí)般性辯論會上(shàng)，以(yǐ)及2020年12月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(guó)提高國(guó)家自主貢獻力度，力争2030年前碳排放達到(dào)峰值，努力争取2060年前實現碳中和(hé / huò)；到(dào)2030年，中國(guó)單位GDP二氧化碳排放将比2005年下降65%以(yǐ)上(shàng)，非化石能源占一(yī / yì ／yí)次能源消費比重将達到(dào)25%左右。

       目前已有127個(gè)國(guó)家承諾碳中和(hé / huò)，這(zhè)些國(guó)家的(de)溫室氣體排放量占全球排放的(de)50%，經濟總量在(zài)全球的(de)占比超過40%。歐盟和(hé / huò)美國(guó)都表示在(zài)2050年實現碳中和(hé / huò)，英國(guó)、日本、韓國(guó)等地(dì / de)區紛紛提出(chū)“綠色新政”，拜登将氣候變化置于(yú)内外政策的(de)優先位置，更多發展中國(guó)家明确低碳轉型目标。“綠色低碳”将成爲(wéi / wèi)未來(lái)很長一(yī / yì ／yí)段時(shí)間内的(de)各國(guó)關鍵詞。

       碳排放峰值是(shì)指一(yī / yì ／yí)個(gè)經濟體（地(dì / de)區）二氧化碳的(de)最大(dà)年排放值，而(ér)碳排放達峰是(shì)指碳排放量在(zài)某個(gè)時(shí)間點達到(dào)峰值。核心是(shì)碳排放量增速持續降低直至負增長。碳中和(hé / huò)是(shì)指在(zài)一(yī / yì ／yí)定時(shí)間内直接或間接産生的(de)溫室氣體排放總量，通過植樹造林、節能減排等形式，以(yǐ)抵消自身産生的(de)二氧化碳排放量，實現溫室氣體“淨零排放”。核心是(shì)溫室氣體排放量的(de)大(dà)幅降低，最終達到(dào)一(yī / yì ／yí)個(gè)組織的(de)一(yī / yì ／yí)年内所有溫室氣體排放量與溫室氣體清除量“收支平衡”。

       作爲(wéi / wèi)世界上(shàng)最大(dà)的(de)發展中國(guó)家，中國(guó)“3060”的(de)決心要(yào / yāo)求僅用10年達到(dào)峰值、30年降至零排放，中和(hé / huò)斜率會遠陡峭于(yú)歐美，減排速度要(yào / yāo)超出(chū)歐盟一(yī / yì ／yí)倍，未來(lái)40年的(de)碳中和(hé / huò)任務時(shí)間緊、任務重。

       碳達峰、碳中和(hé / huò)作爲(wéi / wèi)具有時(shí)間緊迫性、階段性執行的(de)國(guó)家戰略目标，同時(shí)也(yě)是(shì)排放與吸收的(de)收支中和(hé / huò)過程，量化監測跟蹤是(shì)非常重要(yào / yāo)的(de)環節。政府需要(yào / yāo)精準監測和(hé / huò)管理手段，行業和(hé / huò)企業作爲(wéi / wèi)實現碳中和(hé / huò)的(de)中堅力量，也(yě)需要(yào / yāo)監管和(hé / huò)自我管理、探索優化發展的(de)能力和(hé / huò)工具。

       當前，我國(guó)明确了(le／liǎo)“雙碳”（碳達峰、碳中和(hé / huò)）的(de)總路徑：力争通過對能源、工業、交通、建築等重點行業提高能源使用效率和(hé / huò)産業結構調整，推進減排，在(zài)10年之(zhī)内，也(yě)就(jiù)是(shì)2030年使碳排放達到(dào)峰值；此後，通過能源系統轉型和(hé / huò)碳封存，用30年時(shí)間，在(zài)2060年實現淨零碳。碳中和(hé / huò)的(de)核心概念是(shì)碳排放量“收支相抵”，是(shì)指企業、團體或個(gè)人(rén)測算在(zài)一(yī / yì ／yí)定時(shí)間内，直接或間接産生的(de)溫室氣體排放，由植樹造林、節能減排等形式進行抵消，實現零碳排放。依照這(zhè)樣的(de)概念，實現碳中和(hé / huò)主要(yào / yāo)方法有兩種：（1）碳減排：遏制碳排放，節能減排，構建低碳産業體系；（2）碳吸收：維護自然資源和(hé / huò)生态環境，植樹造林，吸收碳排放。

 

第二章 “嗅碳”衛星

       “嗅碳”衛星是(shì)人(rén)造地(dì / de)球衛星中專門用于(yú)對地(dì / de)球二氧化碳濃度測量的(de)衛星，“嗅碳”衛星對二氧化碳濃度的(de)測量精度能夠達到(dào)百萬分之(zhī)一(yī / yì ／yí)，是(shì)人(rén)們掌握高精度二氧化碳測量數據的(de)得力“幫手”。 目前僅有３顆“嗅碳”衛星在(zài)太空中工作，分别是(shì)專門測量大(dà)氣中二氧化碳濃度的(de)美國(guó)“軌道(dào)碳觀測者２号”、觀測大(dà)氣中二氧化碳和(hé / huò)甲烷等濃度的(de)日本“呼吸”号以(yǐ)及我國(guó)新發射的(de)首顆碳衛星。

2.1. OCO-2衛星

       軌道(dào)碳觀測衛星-2(OCO-2)是(shì)美國(guó)航空航天局(NASA)第一(yī / yì ／yí)顆研究二氧化碳排放的(de)衛星。NASA希望通過OCO-2觀測了(le／liǎo)解陸地(dì / de)與海洋吸收之(zhī)外的(de)CO2在(zài)全球大(dà)氣中的(de)不(bù)均勻分布，對碳排放、碳循環進行精确地(dì / de)測量，提高對溫室氣體的(de)自然來(lái)源與人(rén)爲(wéi / wèi)排放的(de)理解，改善全球碳循環模型，更好地(dì / de)表征大(dà)氣中CO2的(de)變化，進而(ér)更準确地(dì / de)預測全球氣候變化。

       OCO-2将均勻采樣地(dì / de)球陸地(dì / de)和(hé / huò)海洋上(shàng)空的(de)大(dà)氣，在(zài)爲(wéi / wèi)期2年時(shí)間裏對地(dì / de)球受到(dào)太陽照射的(de)一(yī / yì ／yí)半區域每天進行50萬次采樣，以(yǐ)确定的(de)精度、分辨率和(hé / huò)覆蓋率提供區域地(dì / de)理分布和(hé / huò)季節變化的(de)完整圖像。OCO-2儀器的(de)3個(gè)高分辨率光譜儀将對太陽進行光學譜監測，聚焦到(dào)不(bù)同的(de)色帶範圍，分析測定特定顔色被CO2和(hé / huò)氧分子(zǐ)吸收的(de)情況。這(zhè)些特定顔色被吸收的(de)光量與大(dà)氣中CO2濃度成正比，研究人(rén)員将在(zài)計算模型中引入這(zhè)些新數據以(yǐ)建立量化全球的(de)碳源與碳彙。

       OCO-2光譜儀的(de)設計目标是(shì)測量太陽光經過地(dì / de)表反射之(zhī)後，太陽光将兩次穿過地(dì / de)球大(dà)氣層。大(dà)氣層中的(de)CO2分子(zǐ)和(hé / huò)O2分子(zǐ)具有非常特殊的(de)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(zài)這(zhè)些特殊譜段上(shàng)損失相應的(de)能量，OCO-2的(de)光栅光譜儀将太陽光散射開來(lái)，就(jiù)可以(yǐ)獲取相應譜段上(shàng)的(de)CO2和(hé / huò)O2的(de)吸收能量，從而(ér)測量出(chū)當地(dì / de)大(dà)氣中CO2和(hé / huò)O2的(de)氣體含量。

 

表1 OCO-2載荷的(de)性能指标

載荷	3台共視軸，高分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
分析能量	> 20,000
光學系統快速參數	f/1.8，高信噪比
掃描幅寬（穿軌向視場角14 mrad）	-星下點幅寬10.6km（由705km軌道(dào)高度和(hé / huò)開縫寬度決定）
空間分辨率	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(guó)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觀測衛星"伊吹"（GOSAT）獲得的(de)數據和(hé / huò)晴天觀測的(de)數據分析，提供全球大(dà)氣中二氧化碳和(hé / huò)甲烷的(de)氣柱平均濃度（在(zài)垂直地(dì / de)表人(rén)的(de)大(dà)氣柱中，單位面積所含相關甲烷量與幹燥空氣量的(de)體積比）的(de)數據産品。采用由此獲得的(de)二氧化碳氣柱平均濃度，用大(dà)氣傳輸模型的(de)反解分析（逆模型解析），來(lái)測算全球各區域二氧化碳的(de)吸收和(hé / huò)排出(chū)的(de)淨值情況（來(lái)自自然和(hé / huò)人(rén)爲(wéi / wèi)的(de)二氧化碳的(de)淨吸收排放）。

       日本GOSAT是(shì)世界上(shàng)第一(yī / yì ／yí)顆專門用于(yú)探測大(dà)氣CO2的(de)超光譜衛星。GOSAT的(de)軌道(dào)高度爲(wéi / wèi)666km，每天繞地(dì / de)球14圈，回歸周期爲(wéi / wèi)3天，其上(shàng)搭載的(de)TANSO-FST 傳感器是(shì)一(yī / yì ／yí)台邁克爾遜幹涉儀，可獲得3個(gè)短波紅外範圍的(de)窄波段（0.76um、1.6 um和(hé / huò) 2.0 um）和(hé / huò)一(yī / yì ／yí)個(gè)熱紅外寬波段（5.5—14.3 um）的(de)吸收超光譜。TANSO-FST的(de)瞬時(shí)視場爲(wéi / wèi)15.8 mrad，對應地(dì / de)表水平面高度上(shàng)的(de)天底“腳印”直徑10.5 km。 TANSO-FST 獲得的(de)超光譜波譜數據經處理可獲得 XCO2産品。

       GOSAT 短波紅外 CO2二級産品是(shì)GOSAT單點觀測的(de)大(dà)氣整層的(de) XCO2，它由 GOSAT 獲取的(de)3個(gè)短波紅外吸收光譜采用最優估計的(de)方法反演得到(dào)。GOSAT短波紅外波譜經雲濾除及其他(tā)預處理，獲得可用于(yú)反演的(de)無雲吸收光譜，在(zài)獲取先驗知識基礎上(shàng)，采用最優估計方法反演大(dà)氣 XCO2，最後經質量濾除，得到(dào)整層大(dà)氣的(de)XCO2産品。

       觀測傳感器是(shì)GOSAT衛星的(de)核心部門，主要(yào / yāo)包括：傅裏葉變換光譜儀（FTS）、雲和(hé / huò)氣溶膠成像儀（CAI），FTS用于(yú)溫室氣體探測，CAI用于(yú)同步收集雲和(hé / huò)氣溶膠信息。兩者合稱爲(wéi / wèi)TANSO（Thermal And Near-infrared Sensor for carbon Observation）

 

表2 TANSO-FTS傳感器觀測參數

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
光譜分辨率（mm）	0.2
觀測目标	O2	CO2、CH4、H2O	CO2、CH4、H2O、卷雲	CO2、CH4、卷雲
極化方式	P、S			無
信噪比	>300

 

表3 TANSO-CAI主要(yào / yāo)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
星下點空間分辨率（m）	500			1500

 

GOSAT衛星産品：

       JAXA負責将接收的(de)原始數據（L0級數據）處理爲(wéi / wèi)L1級光譜産品後，由NIES負責開發數據處理算法、驗證數據整理，并分發管理更高級别的(de)數據産品；NOE負責推動數據産品的(de)應用。按照數據處理過程，GOSAT産品可以(yǐ)分爲(wéi / wèi)以(yǐ)下幾個(gè)級别：

       （1）L0級産品：地(dì / de)面接收站接收到(dào)的(de)原始幹涉圖、相應的(de)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)間記錄信息

       傳感器狀态參數和(hé / huò)尺度轉換相關參數。

       （3）FTS-SWIR L1B産品：經過相位校正、傅裏葉逆變換，并經過輻射定标、光譜定标、幾何定位後的(de)短波紅外光譜數據。

       （4）FTS-TIR L1B産品：經過黑體輻射定标後的(de)熱紅外光譜數據。

       （5）CAI L1B産品：經過輻射定标、幾何校正後的(de)光譜數據。

       （6）FTS-SWIR L2産品：根據CO2和(hé / huò)CH4吸收光譜反演得到(dào)的(de)CO2和(hé / huò)CH4平均柱濃度。

       （7）FTS-TIR L2産品：利用FTS熱紅外波段反演得到(dào)的(de)CO2和(hé / huò)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(hé / huò)CH4濃度數據，經過克裏金插值後得到(dào)的(de)全球2.5°×2.5°月平均濃度分布數據。

       （10）CAI L3産品：包括全球輻射分布、全球反照率産品、NDVI、全球雲及氣溶膠屬性産品。

       （11）L4A級産品：全球劃分爲(wéi / wèi)64個(gè)區域，利用FTS-SWIR L2數據結合地(dì / de)表觀測數據，經大(dà)氣傳輸模型反演得到(dào)的(de)CO2月平均通量産品。

       （12）L4B級産品：基于(yú)L4A産品得到(dào)的(de)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(shì)由中國(guó)自主研制的(de)首顆全球大(dà)氣二氧化碳觀測科學實驗衛星。

       碳衛星總質量620千克，搭載一(yī / yì ／yí)體化設計的(de)兩台科學載荷，分别是(shì)高光譜二氧化碳探測儀以(yǐ)及起輔助作用的(de)多譜段雲與氣溶膠探測儀。

       TANSAT衛星主要(yào / yāo)有3種觀測模式，分别是(shì)天底模式、耀斑模式和(hé / huò)目标模式。探測儀器的(de)視線指向當地(dì / de)的(de)最低點（即天底觀測模式，Nadir observation） 或者是(shì)閃爍的(de)光點（即耀斑觀測模式，Glint observation），還可以(yǐ)瞄準選定的(de)地(dì / de)球表面校準和(hé / huò)驗證點（即目标觀測模式，Target observation）。Nadir觀測模式提供了(le／liǎo)最佳的(de)水平空間分辨率，并有望在(zài)部分多雲地(dì / de)區或地(dì / de)形上(shàng)産生更多有用的(de) XCO2探測。Glint觀測模式在(zài)黑暗、鏡面表面有比較大(dà)的(de)信噪比，預計在(zài)海洋上(shàng)會産生更有用的(de)探測結果。通常，碳衛星在(zài)Nadir觀測模式和(hé / huò)Glint觀測模式之(zhī)間交替進行。Target觀測是(shì)在(zài)碳衛星驗證點上(shàng)進行的(de)，并收集成千上(shàng)萬的(de)觀測數據，大(dà)量的(de)測量減少了(le／liǎo)随機誤差的(de)影響，并提供了(le／liǎo)識别目标附近XCO2場空間變異性的(de)信息。

       目前，碳衛星已經對外共享了(le／liǎo)經過定标後的(de)L1B光譜數據集，所有産品文件都是(shì)以(yǐ)層次型科學數據格式HDF-5發布。這(zhè)種格式有助于(yú)創建邏輯數據結構，通過将數據産品組織到(dào)文件夾和(hé / huò)子(zǐ)文件夾中，每個(gè)文件對應一(yī / yì ／yí)個(gè)軌道(dào)連續模式的(de)數據集。

 

表4 中國(guó)碳衛星技術參數表

中國(guó)碳衛星技術參數
軌道(dào)類型	太陽同步軌道(dào)
軌道(dào)标稱高度	712千米
軌道(dào)傾角	98.16º
軌道(dào)保持偏心率	≤0.002272
軌道(dào)周期	98.89分鍾
升交點地(dì / de)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(zài)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、高光譜溫室氣體探測儀

       碳衛星搭載了(le／liǎo)一(yī / yì ／yí)台高空間分辨率的(de)高光譜溫室氣體探測儀，高光譜與高空間分辨率大(dà)氣二氧化碳探測儀(Atmospheric Carbon-dioxide Grating Spectrometer ACGS)：重約170kg，功率約爲(wéi / wèi)700w，其基于(yú)大(dà)氣吸收池原理，利用對地(dì / de)球反射的(de)近紅外/短波紅外太陽輻射對大(dà)氣中二氧化碳的(de)含量進行探測，獲取高精度的(de)大(dà)氣吸收光譜。對吸收光譜的(de)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(dà)氣懸浮微粒等幹擾因素，應用反演算法即可計算出(chū)衛星在(zài)觀測路徑上(shàng)二氧化碳的(de)柱濃度。通過對全球柱濃度的(de)序列分析，并借助數據同化系統的(de)一(yī / yì ／yí)系列模型，可推演出(chū)全球二氧化碳的(de)通量變化。本載荷采用大(dà)面積衍射光栅對吸收光譜進行細分，能夠探測2.06μm、1.6μm、0.76μm 三個(gè)大(dà)氣吸收光譜通道(dào)，最高分辨率達到(dào)0.04nm。

       探測儀的(de)工作原理，是(shì)在(zài)可見光和(hé / huò)近紅外譜段，利用分子(zǐ)吸收譜線探測二氧化碳等溫室氣體濃度。高光譜二氧化碳探測儀設有3個(gè)通道(dào)，其中，在(zài)760納米的(de)O2-A通道(dào)的(de)光譜分辨率最高可以(yǐ)達到(dào)0.04納米，能夠捕獲植被日光誘導葉綠素熒光對Fe（758納米）和(hé / huò)KI（771納米）兩個(gè)太陽弗朗霍夫暗線的(de)填充效應，從而(ér)不(bù)僅能對全球大(dà)氣中二氧化碳濃度進行動态監測，還能高精度反演植被葉綠素熒光。衛星尺度葉綠素熒光能夠精确估算全球植被光合生産力，結合同步反演的(de)大(dà)氣二氧化碳濃度數據，二者協同将能夠極大(dà)提升全球碳源彙觀測能力。

 

表5 高空間分辨率的(de)高光譜溫室氣體探測儀參數表

光譜範圍（nm）	通道(dào)數量	光譜分辨率（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／liǎo)一(yī / yì ／yí)台多譜段的(de)雲與氣溶膠偏振成像儀，成像儀可以(yǐ)測量雲、大(dà)氣顆粒物等輔助信息，爲(wéi / wèi)科學家精确反向推演二氧化碳濃度剔除幹擾因素，還可以(yǐ)幫助氣象學家提高天氣預報的(de)準确性，并爲(wéi / wèi)研究PM2.5等大(dà)氣污染成因提供重要(yào / yāo)數據支撐。

       作爲(wéi / wèi)中國(guó)首顆碳衛星載荷，高光譜溫室氣體探測儀、雲與氣溶膠偏振成像儀爲(wéi / wèi)溫室氣體排放、碳核查等領域的(de)研究提供基礎數據，爲(wéi / wèi)節能減排等宏觀決策提供數據支撐，增加了(le／liǎo)中國(guó)在(zài)國(guó)際碳排放方面的(de)話語權。

 

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）	極化角度	空間分辨率（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(de)技術支持

3.1. 熱紅外遙感數據支持

       熱紅外遙感是(shì)利用熱紅外波段研究地(dì / de)球物質特性的(de)技術手段，可以(yǐ)獲取地(dì / de)球表面溫度，在(zài)城市熱島效應、林火監測、旱災監測等領域有很好的(de)應用價值。

 

表7 主要(yào / yāo)星載熱紅外傳感器

傳感器	衛星平台	熱紅外波段數	熱紅外光譜範圍 （μm）	空間分辨率	寬幅
ASTER高級空間熱輻射熱反射探測器	EOS (美國(guó))	5	8.125-8.475 8.475-8.825 8.925-9.275 10.25-10.95 10.95-11.65	90m	60kmx60km
AVHRR甚高分辨率輻射儀	NOAA (美國(guó))	3	3.55-3.93 10.30-11.30 11.50-12.50	1.1km	2800km
MODIS中等高分辨率成像光譜輻射儀	EOS （美國(guó)）	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(guó)）	1	10.0-12.9 10.4-12.5	60m（重采樣爲(wéi / wèi)30米） 120m	185kmx185km
IRS紅外相機	HJ-1A/B (中國(guó))	2	3.50 -3.90 10.5-12.5	150m 300m	720kmx720km
Landsat8 TIRS	Landsat （美國(guó)）	2	10.60-11.20 11.50-12.50	100（重采樣爲(wéi / wèi)30米）	185kmx185km

 

       針對雙碳政策，利用熱紅外遙感技術進行對地(dì / de)溫度反演，對于(yú)監測全球氣候變暖也(yě)被廣泛的(de)關注，近年來(lái)，與地(dì / de)表溫度（LST）反演、大(dà)氣輻射傳輸有關的(de)應用需求增長較快，大(dà)氣輻射傳輸的(de)過程研究與定量化反演蓬勃發展，如大(dà)氣輻射傳輸理論模型。

       此外，CO2濃度的(de)時(shí)空分布梯度與地(dì / de)表碳通量呈相關關系，熱紅外波長大(dà)與4微米，大(dà)氣散射輻射不(bù)僅是(shì)大(dà)氣溫度的(de)函數，而(ér)且也(yě)是(shì)大(dà)氣内部組成的(de)函數。對于(yú)一(yī / yì ／yí)個(gè)特定波長，吸收系數與大(dà)氣組成、溫度和(hé / huò)壓力有關。一(yī / yì ／yí)般大(dà)氣對熱紅外輻射的(de)衰減主要(yào / yāo)是(shì)由氣體分子(zǐ)的(de)吸收和(hé / huò)氣體分子(zǐ)、氣溶膠的(de)散射所引起的(de)，大(dà)氣對熱紅外的(de)吸收體主要(yào / yāo)是(shì)CO2、水汽和(hé / huò)O3：

       O3吸收帶爲(wéi / wèi)9.6微米，但于(yú)航空遙感而(ér)言，O3在(zài)低空分布較少，可以(yǐ)不(bù)予考慮；水在(zài)低空一(yī / yì ／yí)般以(yǐ)氣态形态存在(zài)，水蒸氣在(zài)8.0-12.5微米爲(wéi / wèi)連續吸收帶，H2O中心吸收帶爲(wéi / wèi)6.3微米；CO2主要(yào / yāo)吸收帶爲(wéi / wèi)4.3微米、15微米，在(zài)8.0-12.5微米無強吸收帶，在(zài)9.4微米和(hé / huò)10.4微米有弱吸收帶。熱紅外探測的(de)主要(yào / yāo)估算方法是(shì)通過已知大(dà)氣溫度廓線推算吸收氣體濃度及吸收系數，一(yī / yì ／yí)般來(lái)說(shuō)，随着氣體濃度的(de)增大(dà)，相應的(de)波段可探測到(dào)的(de)大(dà)氣層也(yě)越高。通過利用已知的(de)溫度廓線調整測量和(hé / huò)模拟的(de)輻射值，可估算吸收氣體濃度。

       通過大(dà)氣傳輸反演模型，可以(yǐ)估算與大(dà)氣濃度分布相一(yī / yì ／yí)緻的(de)碳通量的(de)空間分布，在(zài)熱紅外波段，地(dì / de)表溫度和(hé / huò)大(dà)氣輻射明顯高于(yú)太陽輻射及地(dì / de)表和(hé / huò)大(dà)氣反射，但當波長小于(yú)3微米時(shí)，地(dì / de)球觀測衛星儀器系統可以(yǐ)觀測太陽輻射、地(dì / de)表反射以(yǐ)及大(dà)氣散射的(de)輻射。反射表現出(chū)能夠反映輻射傳輸過程的(de)一(yī / yì ／yí)些波譜變化。所謂“大(dà)氣窗口”波譜段，就(jiù)是(shì)透過率較高，大(dà)氣輻射随地(dì / de)表反射函數而(ér)變化的(de)波段。在(zài)其他(tā)的(de)波段，電磁波通過大(dà)氣層時(shí)較多被吸收，測量結果是(shì)大(dà)氣吸收物質數量的(de)函數。高波譜分辨率觀測技術可以(yǐ)識别不(bù)同氣體的(de)吸收線，從相對深度中獲取不(bù)同大(dà)氣分子(zǐ)的(de)濃度數據。

 

圖1 不(bù)同大(dà)氣成分的(de)大(dà)氣窗口

 

3.2. “一(yī / yì ／yí)張圖”處理分析

       針對雙碳政策，集合遙感、土地(dì / de)利用、社會經濟地(dì / de)理數據以(yǐ)及基礎地(dì / de)理信息等多源信息，共同構建統一(yī / yì ／yí)的(de)“雙碳”時(shí)空監管平台，助力推進“雙碳”與時(shí)空大(dà)數據結合，探索碳的(de)時(shí)空分布特征，對碳排放量和(hé / huò)空間分布、強度進行量化客觀監測和(hé / huò)溯源，實現資源開發利用的(de)動态監管。

       首先，建立“雙碳”專題數據庫，統一(yī / yì ／yí)管理多源異構數據，整合海量時(shí)空地(dì / de)理數據、遙感影像數據、三維動态建模數據以(yǐ)及各級各類圖表數據規範化管理，滿足各級各類數據管理需要(yào / yāo)。

       其次，“雙碳”時(shí)空信息多維度分析，梳理數據與各業務流程之(zhī)間的(de)邏輯關系，加強空間分析能力，實現海量空間數據快速組織，實現檢查入庫、數據更新、編輯查詢、統計輸出(chū)、交換發布等一(yī / yì ／yí)體化數據綜合管理，增強快速響應多用戶、大(dà)數據下的(de)數據服務能力。

       最後，優化“雙碳”時(shí)空大(dà)數據可視化展示，優化可視化渲染效果，二維地(dì / de)圖與三維建模相結合，多維度展現“雙碳”時(shí)空分布特點。

 

圖2 中國(guó)大(dà)氣XCO2平均濃度示意圖

 

 

圖3 2015年全球平均二氧化碳濃度（NASA）

 

3.3. CO2氣體大(dà)氣層的(de)柱濃度監測

       CO2的(de)柱平均幹空氣柱濃度摩爾分數 （簡稱CO2的(de)平均柱濃度） 是(shì)将二氧化碳柱總量用同時(shí)從O2-A帶反演得到(dào)的(de)氧氣柱總量歸一(yī / yì ／yí)化後得到(dào)的(de)。因爲(wéi / wèi) O2分子(zǐ)在(zài)空氣中的(de)變化十分微小，是(shì)一(yī / yì ／yí)種被廣泛認可的(de)、可以(yǐ)準确計算空氣柱含量的(de)氣體。所以(yǐ)近地(dì / de)面CO2平均柱濃度 （幹燥空氣下）可以(yǐ)表達爲(wéi / wèi)：

XCO2=CO2col/（O2col/O2mf）

       式中：XCO2表示CO2平均柱濃度（幹燥空氣下），單位爲(wéi / wèi)mg/L；CO2col表示反演的(de)CO2的(de)絕對柱總量，單位爲(wéi / wèi)mol/cm2；O2col表示反演的(de)O2絕對柱總量，單位爲(wéi / wèi)mol/cm2；O2mf爲(wéi / wèi)轉換常數，用于(yú)将O2的(de)柱含量轉化爲(wéi / wèi)幹燥空氣的(de)柱含量，一(yī / yì ／yí)般取值爲(wéi / wèi)0.2095。CO2絕對柱總量和(hé / huò)O2絕對柱總量是(shì)分别反演得到(dào)的(de)。

       通過嗅碳衛星，如TANSAT，結合氣溶膠數據和(hé / huò)HITRAN2012大(dà)氣分子(zǐ)吸收譜數據庫可以(yǐ)對CO2氣體大(dà)氣層的(de)柱濃度進行反演估算。

 

圖4 全球XCO2 數據時(shí)空尺度統合後的(de)月均值