杨东旭：一颗卫星看全球，一把尺子量全球

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卫星互联网百人会

编者按

近年来，“碳达峰”、“碳中和”已经成为关乎国家发展的重要议题，我国将力争2030年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。“减排、增汇”是实现“双碳”目标的核心，加强我国基于碳监测数据的碳排放、碳汇核算工作至关重要。当前，我国正在推进发展多尺度、多维度各型卫星系统，协同服务“双碳”监测整体目标。针对此话题，卫星互联网百人会《未来疆域》栏目特别邀请中国科学院大气物理研究所副研究员杨东旭老师展开深入探讨。

段玉龙（主持人）：据了解，咱们现在头顶上有一颗碳卫星，可否介绍一下？

杨东旭：目前，碳卫星主要以做全球碳源碳汇的监测为主。2016年12月，我国第一颗二氧化碳科学实验监测卫星成功发射，为全球的科学家提供了观测数据。

除此，我国还有其它可用于碳监测的卫星，比如风云系列、高分系列、大气系列卫星，搭载了多种温室气体载荷，可进行全球大气温室气体包括二氧化碳和甲烷的探测。不同载荷的优势点是不同的，比如：有的设备可以做到更高的空间分辨率，有的设备可以做到更高的信噪比。载荷关键核心参数的提高，可以有效进行更高精度二氧化碳的探测。

其实，国际上对碳卫星的研究还处于起步阶段，它的最终功用是什么？它是否可得到高精度的全球碳源汇的探测？还是有很多未知因素的。因此，在卫星发射升空以后，我们做了很多研究才能确定它是否可用于高精度二氧化碳的探测。对于这类摸索性的工作，其实相当于在做科学实验，通过研究找到合适方法，或者载荷技术体制，才能更适合于二氧化碳探测。

段玉龙（主持人）：空气中成分有二氧化碳、有甲烷、有氮气，若发射一颗卫星在太空中，如何可以获知大气里二氧化碳含量？

杨东旭：这正是卫星的优势，我们用遥感的手段去得到二氧化碳的含量。碳监测卫星是利用太阳反射的光（辐射），穿过大气，二氧化碳分子具有较强的吸收能力，在不同波段表现出的吸收能力不同（特征光谱），利用这种吸收特征，我们就可以识别出到底有没有二氧化碳。同时，通过吸收谱线的形状和深度，我们就可以知道大气中的二氧化碳含量。比如，对于大气中分子的吸收来讲，就像大家吃饭一样，人越多吃的就越多；那么对于吸收线也一样，太阳光谱本来是条平滑的曲线，如果二氧化碳分子越多，二氧化碳吸收的能量就越多，吸收线的强度越强，特征光谱结构越明显。我们通过测量二氧化碳吸收了多少能量，就可以知道大气中二氧化碳的含量，这就是卫星探测的原理。

段玉龙（主持人）：如今，世界上很多国家达成了一个战略共识，各国的碳排量要互相制约，A国要是排放过多则要从B国购买配额，咱们把它称之为碳税。那么，一个国家如何来计算自己的碳排量，本国的自然条件比如树木能吸收或固化多少碳，背后其实需要数据的测算。我们现有的测算方法是什么？卫星对于测算碳汇，或进行碳汇交易的时候，会有什么帮助？

杨东旭：我们在很早之前就开始测算碳了，学术上我们称它为“自下而上”基于过程或者个体的方法，通过累加得出总量。比如，我若想测量某个森林的碳汇，我们就要去测树的各种参数，通过地表生物量变化的计算，我们就可以得到具体的碳汇量，这是基于过程的方式。

有时候，我们采取实地测量的方法。比如一个工厂排放了多少碳，我们可以用排放因子乘以它燃烧了多少煤或油来计算，这是基于燃烧过程或能源使用过程的方式来计算的。

另外，我们还可以利用模型来计算。比如生态系统整体碳循环过程的一个模型，我们可以通过模拟的方式来计算碳排放量。我们常说的清单（IPCC国家温室气体清单指南），主体就是基于前面讲述的方式得到的。

不过，以上都是基于个体，比如这棵树已测量，下一棵树没有测到，这种个体性的差异推广到整体，势必会造成一些误差。同时，也存在我们没有关注到某些东西，所以忘记去计算它。

目前，每个国家的碳排放量与碳吸收量，国际上都是使用（温室气体排放）清单去核查的，并且这种方式已经运行多年。国际社会对于清单核查方法所存在的偏差透明度的问题有一些争论。IPCC2019年国家温室气体清单指南的修改版中把大气探测、大气反演的方法写入国家清单指南，作为一种对于已有清单的核验方法，未来将进一步推广。

大气反演的方法是“自上而下”的，是从大气整体推导到个体的过程。因此，大气之下若产生碳排放的话，大气中的二氧化碳浓度会发生变化。那么，结合大气传输模型以及大气二氧化碳浓度的变化，我们就可以知道这种变化是从何而来，这便是大气反演方法的基本原理。卫星在大气反演方法中的优势在于可以观测全球二氧化碳浓度，相当于给全球大气做扫描，可以得到一个大气二氧化碳在全球的分布和变化，可以更好地去推算全球的碳排放以及碳源汇的状态。

不过，大气反演的方法不可能追踪到每一个个体，比如具体追踪到某个工厂排放的难度是非常大的。但是，利用清单方法就可以很准确地描绘某个个体的具体排放过程。而大气探测的优势在于整体核算，比如我们画一个大圈，里面有森林、城市、河流、土地，在此层面进行整体核算的话，大气探测是有优势的。

段玉龙（主持人）：关于卫星得出的有关碳排放的数据，这些数据的使用者是谁？如何进行使用？

杨东旭：我们的科学实验卫星，也包括业务卫星，首要的用户是科研人员。碳元素在地球上的海洋圈、岩石圈、生物圈、大气圈中不断进行着交换，作为科研人员要搞清楚我们的碳循环机制，进一步完善我们的模型和理论，最后就可以很好地应用于预估、预测等业务。

另外，从行业用户的角度来说，碳的数据也可用于碳交易、碳排放、碳税核算，或者说某行业整体碳的核算。

段玉龙（主持人）：飞机的碳排放量是很大的，我们通过卫星可以有效地监测民航业的碳排放数据吗？

杨东旭：通过卫星有效监测民航业的碳排放数据，可能是未来的一个发展方向，但是难度确实很大。

首先，对卫星的时效性要求非常高。飞机在空中飞的时候是一个很小的个体（从时间和空间上），假设一个短途飞机的飞行时间为两个小时，只有一颗卫星的话，还没有过境，飞机就已经落地了。

另外，对卫星的空间分辨率的要求也比较高。如果我们看不到这个飞机，也就很难看清其碳排放。此外，飞机的碳排放量以及扰动量对于整体大气柱来说，是非常非常小的一个量。虽然飞机的碳排放量是一个瞬时很强的量，但是整体混合起来以后，它是一个比较小的量，这样的话，也要求卫星应有一个较高的精度。所以，从卫星的重访时频、卫星的空间分辨率以及卫星的探测精度这三点来说，通过卫星有效监测民航业的碳排放数据还面临很大挑战。

段玉龙（主持人）：通过卫星的观测解决民航业碳排放的问题目前还不太现实，那么，还有什么机构能用得上碳卫星的数据呢？

杨东旭：需要大体量碳排放核算的业务。比如我国林区的碳汇到底有多少，我们可以用卫星来测算；比如我国国民排放的碳总量也可以用卫星来测算。未来，一个城市中某个公园绿地的碳汇能有多少，类似这种层面的事情，我们希望是可以用卫星来解决的。

段玉龙（主持人）：是不是我们手里有了这颗卫星，跟别的国家和地区谈判的时候，也会有更多的话语权？   

杨东旭：目前来讲，国际上核算碳的方式都是各个国家自己申报清单，虽然大家的方法是一样的，但是有些参数、有些系数可能会产生一些偏差，所以国际社会对于目前已有的清单会有一些质疑。

一颗卫星看全球，一把尺子量全球。“一颗”是指的一个广义上的一颗，我们可以认为是一个卫星系统，例如：星座，这个概念目前比较火热。类似的如通信星座卫星上若搭载的设备是一致的，就会变成一种标准化的测量，这种标准化测量相当于一个设备在做观测。由于标准化设备搭载在不同的卫星上，可以实现在广度以及访问时频上的提高。这样，我们可以把它看成是用一个设备来使用。

段玉龙（主持人）：卫星观测碳排放的好处是可以看全球，还有呢？

杨东旭：卫星可以看到一些我们看不到的地方，比如我们若想摸清亚马逊森林的碳排放情况需要很多地面站点，但亚马逊森林里很难有许多可以长时间维护的站点。目前，我们发展了几十年的地面观测网络，对于很多地方还是空白的，所以，在一些人迹罕至的地方，在没有地面站点的地方，卫星可以成为地面网络的有效补充。

段玉龙（主持人）：卫星的反馈数据也会比我们自下而上的方法更快一些吗？

杨东旭：是的，卫星在过境的时候对地遥感，不同的卫星有不同的数据收发体制，可以一次收发或者多次收发、或者实时收发，接收下来的数据可以很快到达用户手里。

段玉龙（主持人）：目前，咱们国家专业探测碳排放的卫星只有一颗，其他国家关于碳卫星的部署或者计划是怎样的？

杨东旭：欧洲有一颗很大的卫星叫Envisat，上面搭载的SCIAMACH具备短波红外二氧化碳通道，是二氧化碳柱浓度探测的首次尝试，因此我们认为它是一个“pathfinder”，也就是“探路者”性质的卫星探测。2009年日本GOSAT卫星发射成功，国际上第一颗温室气体专用观测卫星诞生了。2014年美国发射了OCO-2卫星，作为另外一种仪器体制的卫星与GOSAT同时在轨运行。2016年，我国碳卫星发射，我们的载荷体制类似于美国OCO-2卫星，是高光谱分辨光栅光谱仪。

碳卫星虽然是一个专用的观测卫星，但是只要这颗卫星上搭载了探测温室气体的观测设备，它就可以进行二氧化碳的探测。我国随后发射了风云卫星、高分卫星和大气卫星，都搭载了温室气体的探测载荷，在不同的观测体制以及仪器体制方面，开展了温室气体观测。

如今，温室气体卫星除了实验目的外，也致力于尝试解决某一方面的问题，比如二氧化碳或者甲烷的全球普查。目前，我们（国家）正在设计中国碳卫星的下一代卫星——TANSAT2，这颗卫星将最终从用户需求的角度出发来进行卫星整体概念的设计，为未来全球碳监测、碳盘点等方面提供数据支撑。

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