第一章(zhāng) 雙碳政策背景
1.1. 現狀分(fēn)析
自工業革命以來，由于化(huà)石燃料的(de)燃燒、工業排放等人(rén)類活動的(de)快(kuài)速增加，全球大(dà)氣 CO2 濃度逐年以約 2×10－6的(de)增速升高(gāo)，已成爲導緻全球變暖的(de)重要原因。近年來，爲減緩大(dà)氣 CO2 濃度的(de)持續升高(gāo)以遏制全球變暖，各國均制定了(le)相關減排政策。在經濟社會快(kuài)速發展的(de)同時，我國加快(kuài)推進綠色低碳轉型、積極參與全球氣候治理(lǐ)，取得(de)了(le)顯著成效。面對全球氣候變化(huà)和(hé)能源消耗問題，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》、《京都議定書》，并在2015年巴黎氣候大(dà)會上提出“二氧化(huà)碳排放2030年左後達到峰值并争取盡早達峰，單位國内生産總值二氧化(huà)碳排放比2005年下(xià)降60%-65%。”
但我國産業結構、能源結構轉型任務仍任重而道遠。
有研究顯示，能源消費是引起碳排放增長的(de)主要原因，且兩者之間存在著(zhe)長期均衡的(de)關系，即我國能源消費每增加1%，相應的(de)碳排放增加0.78%；有統計表明(míng)，我國是全球碳排放量最高(gāo)的(de)國家，碳排放量占全球的(de)近三分(fēn)之一。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)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(fēn)别爲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(fēn)别爲47%、36%，其中工業領域鋼鐵、建材和(hé)化(huà)工三大(dà)高(gāo)耗能産業占比分(fēn)别達到17%、8%和(hé)6%，除此之外，交通(tōng)運輸、建築領域碳排放占能源活動碳排放比重分(fēn)别爲9%、8%。
1.2. 政策解析
爲遏制全球變暖的(de)嚴峻趨勢，作爲高(gāo)速發展的(de)碳排放大(dà)國，2020年9月(yuè)22日第七十五屆聯合國大(dà)會一般性辯論會上，以及2020年12月(yuè)12日氣候雄心峰會上，習近平主席兩次向全世界鄭重宣布：中國提高(gāo)國家自主貢獻力度，力争2030年前碳排放達到峰值，努力争取2060年前實現碳中和(hé)；到2030年，中國單位GDP二氧化(huà)碳排放将比2005年下(xià)降65%以上，非化(huà)石能源占一次能源消費比重将達到25%左右。
目前已有127個國家承諾碳中和(hé)，這些國家的(de)溫室氣體排放量占全球排放的(de)50%，經濟總量在全球的(de)占比超過40%。歐盟和(hé)美(měi)國都表示在2050年實現碳中和(hé)，英國、日本、韓國等地區紛紛提出“綠色新政”，拜登将氣候變化(huà)置于内外政策的(de)優先位置，更多(duō)發展中國家明(míng)确低碳轉型目标。“綠色低碳”将成爲未來很長一段時間内的(de)各國關鍵詞。
碳排放峰值是指一個經濟體（地區）二氧化(huà)碳的(de)最大(dà)年排放值，而碳排放達峰是指碳排放量在某個時間點達到峰值。核心是碳排放量增速持續降低直至負增長。碳中和(hé)是指在一定時間内直接或間接産生的(de)溫室氣體排放總量，通(tōng)過植樹造林(lín)、節能減排等形式，以抵消自身産生的(de)二氧化(huà)碳排放量，實現溫室氣體“淨零排放”。核心是溫室氣體排放量的(de)大(dà)幅降低，最終達到一個組織的(de)一年内所有溫室氣體排放量與溫室氣體清除量“收支平衡”。
作爲世界上最大(dà)的(de)發展中國家，中國“3060”的(de)決心要求僅用(yòng)10年達到峰值、30年降至零排放，中和(hé)斜率會遠陡峭于歐美(měi)，減排速度要超出歐盟一倍，未來40年的(de)碳中和(hé)任務時間緊、任務重。
碳達峰、碳中和(hé)作爲具有時間緊迫性、階段性執行的(de)國家戰略目标，同時也(yě)是排放與吸收的(de)收支中和(hé)過程，量化(huà)監測跟蹤是非常重要的(de)環節。政府需要精準監測和(hé)管理(lǐ)手段，行業和(hé)企業作爲實現碳中和(hé)的(de)中堅力量，也(yě)需要監管和(hé)自我管理(lǐ)、探索優化(huà)發展的(de)能力和(hé)工具。
當前，我國明(míng)确了(le)“雙碳”（碳達峰、碳中和(hé)）的(de)總路徑：力争通(tōng)過對能源、工業、交通(tōng)、建築等重點行業提高(gāo)能源使用(yòng)效率和(hé)産業結構調整，推進減排，在10年之内，也(yě)就是2030年使碳排放達到峰值；此後，通(tōng)過能源系統轉型和(hé)碳封存，用(yòng)30年時間，在2060年實現淨零碳。碳中和(hé)的(de)核心概念是碳排放量“收支相抵”，是指企業、團體或個人(rén)測算(suàn)在一定時間内，直接或間接産生的(de)溫室氣體排放，由植樹造林(lín)、節能減排等形式進行抵消，實現零碳排放。依照(zhào)這樣的(de)概念，實現碳中和(hé)主要方法有兩種：（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)生态環境，植樹造林(lín)，吸收碳排放。
第二章(zhāng) “嗅碳”衛星
“嗅碳”衛星是人(rén)造地球衛星中專門用(yòng)于對地球二氧化(huà)碳濃度測量的(de)衛星，“嗅碳”衛星對二氧化(huà)碳濃度的(de)測量精度能夠達到百萬分(fēn)之一，是人(rén)們掌握高(gāo)精度二氧化(huà)碳測量數據的(de)得(de)力“幫手”。 目前僅有３顆“嗅碳”衛星在太空中工作，分(fēn)别是專門測量大(dà)氣中二氧化(huà)碳濃度的(de)美(měi)國“軌道碳觀測者２号”、觀測大(dà)氣中二氧化(huà)碳和(hé)甲烷等濃度的(de)日本“呼吸”号以及我國新發射的(de)首顆碳衛星。
2.1. OCO-2衛星
軌道碳觀測衛星-2(OCO-2)是美(měi)國航空航天局(NASA)第一顆研究二氧化(huà)碳排放的(de)衛星。NASA希望通(tōng)過OCO-2觀測了(le)解陸地與海洋吸收之外的(de)CO2在全球大(dà)氣中的(de)不均勻分(fēn)布，對碳排放、碳循環進行精确地測量，提高(gāo)對溫室氣體的(de)自然來源與人(rén)爲排放的(de)理(lǐ)解，改善全球碳循環模型，更好地表征大(dà)氣中CO2的(de)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(hé)海洋上空的(de)大(dà)氣，在爲期2年時間裏對地球受到太陽照(zhào)射的(de)一半區域每天進行50萬次采樣，以确定的(de)精度、分(fēn)辨率和(hé)覆蓋率提供區域地理(lǐ)分(fēn)布和(hé)季節變化(huà)的(de)完整圖像。OCO-2儀器的(de)3個高(gāo)分(fēn)辨率光(guāng)譜儀将對太陽進行光(guāng)學譜監測，聚焦到不同的(de)色帶範圍，分(fēn)析測定特定顔色被CO2和(hé)氧分(fēn)子吸收的(de)情況。這些特定顔色被吸收的(de)光(guāng)量與大(dà)氣中CO2濃度成正比，研究人(rén)員将在計算(suàn)模型中引入這些新數據以建立量化(huà)全球的(de)碳源與碳彙。
OCO-2光(guāng)譜儀的(de)設計目标是測量太陽光(guāng)經過地表反射之後，太陽光(guāng)将兩次穿過地球大(dà)氣層。大(dà)氣層中的(de)CO2分(fēn)子和(hé)O2分(fēn)子具有非常特殊的(de)光(guāng)譜特性，因此，當光(guāng)線抵達OCO-2衛星有效載荷時，太陽光(guāng)将在這些特殊譜段上損失相應的(de)能量，OCO-2的(de)光(guāng)栅光(guāng)譜儀将太陽光(guāng)散射開來，就可(kě)以獲取相應譜段上的(de)CO2和(hé)O2的(de)吸收能量，從而測量出當地大(dà)氣中CO2和(hé)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(gāo)分(fēn)辨率成像光(guāng)栅光(guāng)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)析能量 |
> 20,000 |
| 光(guāng)學系統快(kuài)速參數 |
f/1.8，高(gāo)信噪比 |
| 掃描幅寬（穿軌向視場角14 mrad） |
-星下(xià)點幅寬10.6km（由705km軌道高(gāo)度和(hé)開縫寬度決定） |
| 空間分(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(yòng)溫室氣體觀測衛星"伊吹"（GOSAT）獲得(de)的(de)數據和(hé)晴天觀測的(de)數據分(fēn)析，提供全球大(dà)氣中二氧化(huà)碳和(hé)甲烷的(de)氣柱平均濃度（在垂直地表人(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(yòng)由此獲得(de)的(de)二氧化(huà)碳氣柱平均濃度，用(yòng)大(dà)氣傳輸模型的(de)反解分(fēn)析（逆模型解析），來測算(suàn)全球各區域二氧化(huà)碳的(de)吸收和(hé)排出的(de)淨值情況（來自自然和(hé)人(rén)爲的(de)二氧化(huà)碳的(de)淨吸收排放）。
日本GOSAT是世界上第一顆專門用(yòng)于探測大(dà)氣CO2的(de)超光(guāng)譜衛星。GOSAT的(de)軌道高(gāo)度爲666km，每天繞地球14圈，回歸周期爲3天，其上搭載的(de)TANSO-FST 傳感器是一台邁克爾遜幹涉儀，可(kě)獲得(de)3個短波紅外範圍的(de)窄波段（0.76um、1.6 um和(hé) 2.0 um）和(hé)一個熱紅外寬波段（5.5—14.3 um）的(de)吸收超光(guāng)譜。TANSO-FST的(de)瞬時視場爲15.8 mrad，對應地表水(shuǐ)平面高(gāo)度上的(de)天底“腳印”直徑10.5 km。 TANSO-FST 獲得(de)的(de)超光(guāng)譜波譜數據經處理(lǐ)可(kě)獲得(de) XCO2産品。
GOSAT 短波紅外 CO2二級産品是GOSAT單點觀測的(de)大(dà)氣整層的(de) XCO2，它由 GOSAT 獲取的(de)3個短波紅外吸收光(guāng)譜采用(yòng)最優估計的(de)方法反演得(de)到。GOSAT短波紅外波譜經雲濾除及其他(tā)預處理(lǐ)，獲得(de)可(kě)用(yòng)于反演的(de)無雲吸收光(guāng)譜，在獲取先驗知識基礎上，采用(yòng)最優估計方法反演大(dà)氣 XCO2，最後經質量濾除，得(de)到整層大(dà)氣的(de)XCO2産品。
觀測傳感器是GOSAT衛星的(de)核心部門，主要包括：傅裏葉變換光(guāng)譜儀（FTS）、雲和(hé)氣溶膠成像儀（CAI），FTS用(yòng)于溫室氣體探測，CAI用(yòng)于同步收集雲和(hé)氣溶膠信息。兩者合稱爲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(guāng)譜範圍（μm） |
0.758-0.775 |
1.56-1.72 |
1.92-2.08 |
5.56-14.3 |
| 光(guāng)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(guāng)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)點空間分(fēn)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(lǐ)爲L1級光(guāng)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(gāo)級别的(de)數據産品；NOE負責推動數據産品的(de)應用(yòng)。按照(zhào)數據處理(lǐ)過程，GOSAT産品可(kě)以分(fēn)爲以下(xià)幾個級别：
（1）L0級産品：地面接收站接收到的(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、時間記錄信息
傳感器狀态參數和(hé)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(guāng)譜定标、幾何定位後的(de)短波紅外光(guāng)譜數據。
（4）FTS-TIR L1B産品：經過黑(hēi)體輻射定标後的(de)熱紅外光(guāng)譜數據。
（5）CAI L1B産品：經過輻射定标、幾何校正後的(de)光(guāng)譜數據。
（6）FTS-SWIR L2産品：根據CO2和(hé)CH4吸收光(guāng)譜反演得(de)到的(de)CO2和(hé)CH4平均柱濃度。
（7）FTS-TIR L2産品：利用(yòng)FTS熱紅外波段反演得(de)到的(de)CO2和(hé)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)CH4濃度數據，經過克裏金插值後得(de)到的(de)全球2.5°×2.5°月(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(zhào)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)爲64個區域，利用(yòng)FTS-SWIR L2數據結合地表觀測數據，經大(dà)氣傳輸模型反演得(de)到的(de)CO2月(yuè)平均通(tōng)量産品。
（12）L4B級産品：基于L4A産品得(de)到的(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）是由中國自主研制的(de)首顆全球大(dà)氣二氧化(huà)碳觀測科學實驗衛星。
碳衛星總質量620千克，搭載一體化(huà)設計的(de)兩台科學載荷，分(fēn)别是高(gāo)光(guāng)譜二氧化(huà)碳探測儀以及起輔助作用(yòng)的(de)多(duō)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(hé)目标模式。探測儀器的(de)視線指向當地的(de)最低點（即天底觀測模式，Nadir observation） 或者是閃爍的(de)光(guāng)點（即耀斑觀測模式，Glint observation），還可(kě)以瞄準選定的(de)地球表面校準和(hé)驗證點（即目标觀測模式，Target observation）。Nadir觀測模式提供了(le)最佳的(de)水(shuǐ)平空間分(fēn)辨率，并有望在部分(fēn)多(duō)雲地區或地形上産生更多(duō)有用(yòng)的(de) XCO2探測。Glint觀測模式在黑(hēi)暗、鏡面表面有比較大(dà)的(de)信噪比，預計在海洋上會産生更有用(yòng)的(de)探測結果。通(tōng)常，碳衛星在Nadir觀測模式和(hé)Glint觀測模式之間交替進行。Target觀測是在碳衛星驗證點上進行的(de)，并收集成千上萬的(de)觀測數據，大(dà)量的(de)測量減少了(le)随機誤差的(de)影(yǐng)響，并提供了(le)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)經過定标後的(de)L1B光(guāng)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。這種格式有助于創建邏輯數據結構，通(tōng)過将數據産品組織到文件夾和(hé)子文件夾中，每個文件對應一個軌道連續模式的(de)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(gāo)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 |
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(gāo)光(guāng)譜溫室氣體探測儀
碳衛星搭載了(le)一台高(gāo)空間分(fēn)辨率的(de)高(gāo)光(guāng)譜溫室氣體探測儀，高(gāo)光(guāng)譜與高(gāo)空間分(fēn)辨率大(dà)氣二氧化(huà)碳探測儀(Atmospheric Carbon-dioxide Grating Spectrometer ACGS)：重約170kg，功率約爲700w，其基于大(dà)氣吸收池原理(lǐ)，利用(yòng)對地球反射的(de)近紅外/短波紅外太陽輻射對大(dà)氣中二氧化(huà)碳的(de)含量進行探測，獲取高(gāo)精度的(de)大(dà)氣吸收光(guāng)譜。對吸收光(guāng)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(yòng)反演算(suàn)法即可(kě)計算(suàn)出衛星在觀測路徑上二氧化(huà)碳的(de)柱濃度。通(tōng)過對全球柱濃度的(de)序列分(fēn)析，并借助數據同化(huà)系統的(de)一系列模型，可(kě)推演出全球二氧化(huà)碳的(de)通(tōng)量變化(huà)。本載荷采用(yòng)大(dà)面積衍射光(guāng)栅對吸收光(guāng)譜進行細分(fēn)，能夠探測2.06μm、1.6μm、0.76μm 三個大(dà)氣吸收光(guāng)譜通(tōng)道，最高(gāo)分(fēn)辨率達到0.04nm。
探測儀的(de)工作原理(lǐ)，是在可(kě)見光(guāng)和(hé)近紅外譜段，利用(yòng)分(fēn)子吸收譜線探測二氧化(huà)碳等溫室氣體濃度。高(gāo)光(guāng)譜二氧化(huà)碳探測儀設有3個通(tōng)道，其中，在760納米的(de)O2-A通(tōng)道的(de)光(guāng)譜分(fēn)辨率最高(gāo)可(kě)以達到0.04納米，能夠捕獲植被日光(guāng)誘導葉綠素熒光(guāng)對Fe（758納米）和(hé)KI（771納米）兩個太陽弗朗霍夫暗線的(de)填充效應，從而不僅能對全球大(dà)氣中二氧化(huà)碳濃度進行動态監測，還能高(gāo)精度反演植被葉綠素熒光(guāng)。衛星尺度葉綠素熒光(guāng)能夠精确估算(suàn)全球植被光(guāng)合生産力，結合同步反演的(de)大(dà)氣二氧化(huà)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(gāo)空間分(fēn)辨率的(de)高(gāo)光(guāng)譜溫室氣體探測儀參數表
| 光(guāng)譜範圍（nm） |
通(tōng)道數量 |
光(guāng)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)一台多(duō)譜段的(de)雲與氣溶膠偏振成像儀，成像儀可(kě)以測量雲、大(dà)氣顆粒物(wù)等輔助信息，爲科學家精确反向推演二氧化(huà)碳濃度剔除幹擾因素，還可(kě)以幫助氣象學家提高(gāo)天氣預報的(de)準确性，并爲研究PM2.5等大(dà)氣污染成因提供重要數據支撐。
作爲中國首顆碳衛星載荷，高(gāo)光(guāng)譜溫室氣體探測儀、雲與氣溶膠偏振成像儀爲溫室氣體排放、碳核查等領域的(de)研究提供基礎數據，爲節能減排等宏觀決策提供數據支撐，增加了(le)中國在國際碳排放方面的(de)話語權。
表6 多(duō)譜段雲與氣溶膠偏振成像儀參數表
| 中心波長（nm） |
光(guāng)譜帶寬（nm） |
極化(huà)角度 |
空間分(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(zhāng) 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
熱紅外遙感是利用(yòng)熱紅外波段研究地球物(wù)質特性的(de)技術手段，可(kě)以獲取地球表面溫度，在城(chéng)市熱島效應、林(lín)火監測、旱災監測等領域有很好的(de)應用(yòng)價值。
表7 主要星載熱紅外傳感器
| 傳感器 |
衛星平台 |
熱紅外波段數 |
熱紅外光(guāng)譜範圍 （μm） |
空間分(fēn)辨率 |
寬幅 |
| ASTER高(gāo)級空間熱輻射熱反射探測器 |
EOS (美(měi)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(gāo)分(fēn)辨率輻射儀 |
NOAA (美(měi)國) |
3 |
3.55-3.93 10.30-11.30 11.50-12.50 |
1.1km |
2800km |
| MODIS中等高(gāo)分(fēn)辨率成像光(guāng)譜輻射儀 |
EOS （美(měi)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(měi)國） |
1 |
10.0-12.9 10.4-12.5 |
60m（重采樣爲30米） 120m |
185kmx185km |
| IRS紅外相機 |
HJ-1A/B (中國) |
2 |
3.50 -3.90 10.5-12.5 |
150m 300m |
720kmx720km |
| Landsat8 TIRS |
Landsat （美(měi)國） |
2 |
10.60-11.20 11.50-12.50 |
100（重采樣爲30米） |
185kmx185km |
針對雙碳政策，利用(yòng)熱紅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(de)關注，近年來，與地表溫度（LST）反演、大(dà)氣輻射傳輸有關的(de)應用(yòng)需求增長較快(kuài)，大(dà)氣輻射傳輸的(de)過程研究與定量化(huà)反演蓬勃發展，如大(dà)氣輻射傳輸理(lǐ)論模型。
此外，CO2濃度的(de)時空分(fēn)布梯度與地表碳通(tōng)量呈相關關系，熱紅外波長大(dà)與4微米，大(dà)氣散射輻射不僅是大(dà)氣溫度的(de)函數，而且也(yě)是大(dà)氣内部組成的(de)函數。對于一個特定波長，吸收系數與大(dà)氣組成、溫度和(hé)壓力有關。一般大(dà)氣對熱紅外輻射的(de)衰減主要是由氣體分(fēn)子的(de)吸收和(hé)氣體分(fēn)子、氣溶膠的(de)散射所引起的(de)，大(dà)氣對熱紅外的(de)吸收體主要是CO2、水(shuǐ)汽和(hé)O3：
O3吸收帶爲9.6微米，但于航空遙感而言，O3在低空分(fēn)布較少，可(kě)以不予考慮；水(shuǐ)在低空一般以氣态形态存在，水(shuǐ)蒸氣在8.0-12.5微米爲連續吸收帶，H2O中心吸收帶爲6.3微米；CO2主要吸收帶爲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(hé)10.4微米有弱吸收帶。熱紅外探測的(de)主要估算(suàn)方法是通(tōng)過已知大(dà)氣溫度廓線推算(suàn)吸收氣體濃度及吸收系數，一般來說，随著(zhe)氣體濃度的(de)增大(dà)，相應的(de)波段可(kě)探測到的(de)大(dà)氣層也(yě)越高(gāo)。通(tōng)過利用(yòng)已知的(de)溫度廓線調整測量和(hé)模拟的(de)輻射值，可(kě)估算(suàn)吸收氣體濃度。
通(tōng)過大(dà)氣傳輸反演模型，可(kě)以估算(suàn)與大(dà)氣濃度分(fēn)布相一緻的(de)碳通(tōng)量的(de)空間分(fēn)布，在熱紅外波段，地表溫度和(hé)大(dà)氣輻射明(míng)顯高(gāo)于太陽輻射及地表和(hé)大(dà)氣反射，但當波長小于3微米時，地球觀測衛星儀器系統可(kě)以觀測太陽輻射、地表反射以及大(dà)氣散射的(de)輻射。反射表現出能夠反映輻射傳輸過程的(de)一些波譜變化(huà)。所謂“大(dà)氣窗(chuāng)口”波譜段，就是透過率較高(gāo)，大(dà)氣輻射随地表反射函數而變化(huà)的(de)波段。在其他(tā)的(de)波段，電磁波通(tōng)過大(dà)氣層時較多(duō)被吸收，測量結果是大(dà)氣吸收物(wù)質數量的(de)函數。高(gāo)波譜分(fēn)辨率觀測技術可(kě)以識别不同氣體的(de)吸收線，從相對深度中獲取不同大(dà)氣分(fēn)子的(de)濃度數據。
圖1 不同大(dà)氣成分(fēn)的(de)大(dà)氣窗(chuāng)口
3.2. “一張圖”處理(lǐ)分(fēn)析
針對雙碳政策，集合遙感、土地利用(yòng)、社會經濟地理(lǐ)數據以及基礎地理(lǐ)信息等多(duō)源信息，共同構建統一的(de)“雙碳”時空監管平台，助力推進“雙碳”與時空大(dà)數據結合，探索碳的(de)時空分(fēn)布特征，對碳排放量和(hé)空間分(fēn)布、強度進行量化(huà)客觀監測和(hé)溯源，實現資源開發利用(yòng)的(de)動态監管。
首先，建立“雙碳”專題數據庫，統一管理(lǐ)多(duō)源異構數據，整合海量時空地理(lǐ)數據、遙感影(yǐng)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”時空信息多(duō)維度分(fēn)析，梳理(lǐ)數據與各業務流程之間的(de)邏輯關系，加強空間分(fēn)析能力，實現海量空間數據快(kuài)速組織，實現檢查入庫、數據更新、編輯查詢、統計輸出、交換發布等一體化(huà)數據綜合管理(lǐ)，增強快(kuài)速響應多(duō)用(yòng)戶、大(dà)數據下(xià)的(de)數據服務能力。
最後，優化(huà)“雙碳”時空大(dà)數據可(kě)視化(huà)展示，優化(huà)可(kě)視化(huà)渲染效果，二維地圖與三維建模相結合，多(duō)維度展現“雙碳”時空分(fēn)布特點。
圖2 中國大(dà)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(fēn)數 （簡稱CO2的(de)平均柱濃度） 是将二氧化(huà)碳柱總量用(yòng)同時從O2-A帶反演得(de)到的(de)氧氣柱總量歸一化(huà)後得(de)到的(de)。因爲 O2分(fēn)子在空氣中的(de)變化(huà)十分(fēn)微小，是一種被廣泛認可(kě)的(de)、可(kě)以準确計算(suàn)空氣柱含量的(de)氣體。所以近地面CO2平均柱濃度 （幹燥空氣下(xià)）可(kě)以表達爲：
XCO2=CO2col/（O2col/O2mf）
式中：XCO2表示CO2平均柱濃度（幹燥空氣下(xià)），單位爲mg/L；CO2col表示反演的(de)CO2的(de)絕對柱總量，單位爲mol/cm2；O2col表示反演的(de)O2絕對柱總量，單位爲mol/cm2；O2mf爲轉換常數，用(yòng)于将O2的(de)柱含量轉化(huà)爲幹燥空氣的(de)柱含量，一般取值爲0.2095。CO2絕對柱總量和(hé)O2絕對柱總量是分(fēn)别反演得(de)到的(de)。
通(tōng)過嗅碳衛星，如TANSAT，結合氣溶膠數據和(hé)HITRAN2012大(dà)氣分(fēn)子吸收譜數據庫可(kě)以對CO2氣體大(dà)氣層的(de)柱濃度進行反演估算(suàn)。
圖4 全球XCO2 數據時空尺度統合後的(de)月(yuè)均值
