第一章 雙碳政策背景

1.1. 現狀分(fēn)析

       自工(gōng)業革命以來，由于化石燃料的燃燒、工(gōng)業排放等人類活動的快速增加，全球大氣 CO2 濃度逐年以約 2×10－6的增速升高，已成為(wèi)導緻全球變暖的重要原因。近年來，為(wèi)減緩大氣 CO2 濃度的持續升高以遏制全球變暖，各國(guó)均制定了相關減排政策。在經濟社會快速發展的同時，我國(guó)加快推進綠色低碳轉型、積極參與全球氣候治理(lǐ)，取得了顯著成效。面對全球氣候變化和能(néng)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(gōng)約》、《京都議定書》，并在2015年巴黎氣候大會上提出“二氧化碳排放2030年左後達到峰值并争取盡早達峰，單位國(guó)内生産(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降60%-65%。” 

       但我國(guó)産(chǎn)業結構、能(néng)源結構轉型任務(wù)仍任重而道遠(yuǎn)。

       有(yǒu)研究顯示，能(néng)源消費是引起碳排放增長(cháng)的主要原因，且兩者之間存在着長(cháng)期均衡的關系，即我國(guó)能(néng)源消費每增加1%，相應的碳排放增加0.78%；有(yǒu)統計表明，我國(guó)是全球碳排放量最高的國(guó)家，碳排放量占全球的近三分(fēn)之一。2019年，全社會碳排放約105億噸，其中(zhōng)能(néng)源活動碳排放約98億噸，占全社會碳排放比重約87%。能(néng)源種類方面，燃煤發電(diàn)和供熱排放占能(néng)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)别為(wèi)15%、6%；能(néng)源活動領域方面，能(néng)源生産(chǎn)與轉換、工(gōng)業領域碳排放占能(néng)源活動碳排放比重分(fēn)别為(wèi)47%、36%，其中(zhōng)工(gōng)業領域鋼鐵、建材和化工(gōng)三大高耗能(néng)産(chǎn)業占比分(fēn)别達到17%、8%和6%，除此之外，交通運輸、建築領域碳排放占能(néng)源活動碳排放比重分(fēn)别為(wèi)9%、8%。

1.2. 政策解析

       為(wèi)遏制全球變暖的嚴峻趨勢，作(zuò)為(wèi)高速發展的碳排放大國(guó)，2020年9月22日第七十五屆聯合國(guó)大會一般性辯論會上，以及2020年12月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(zhōng)國(guó)提高國(guó)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(zhōng)和；到2030年，中(zhōng)國(guó)單位GDP二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，非化石能(néng)源占一次能(néng)源消費比重将達到25%左右。

       目前已有(yǒu)127個國(guó)家承諾碳中(zhōng)和，這些國(guó)家的溫室氣體(tǐ)排放量占全球排放的50%，經濟總量在全球的占比超過40%。歐盟和美國(guó)都表示在2050年實現碳中(zhōng)和，英國(guó)、日本、韓國(guó)等地區(qū)紛紛提出“綠色新(xīn)政”，拜登将氣候變化置于内外政策的優先位置，更多(duō)發展中(zhōng)國(guó)家明确低碳轉型目标。“綠色低碳”将成為(wèi)未來很(hěn)長(cháng)一段時間内的各國(guó)關鍵詞。

       碳排放峰值是指一個經濟體(tǐ)（地區(qū)）二氧化碳的最大年排放值，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(cháng)。碳中(zhōng)和是指在一定時間内直接或間接産(chǎn)生的溫室氣體(tǐ)排放總量，通過植樹造林、節能(néng)減排等形式，以抵消自身産(chǎn)生的二氧化碳排放量，實現溫室氣體(tǐ)“淨零排放”。核心是溫室氣體(tǐ)排放量的大幅降低，最終達到一個組織的一年内所有(yǒu)溫室氣體(tǐ)排放量與溫室氣體(tǐ)清除量“收支平衡”。

       作(zuò)為(wèi)世界上最大的發展中(zhōng)國(guó)家，中(zhōng)國(guó)“3060”的決心要求僅用(yòng)10年達到峰值、30年降至零排放，中(zhōng)和斜率會遠(yuǎn)陡峭于歐美，減排速度要超出歐盟一倍，未來40年的碳中(zhōng)和任務(wù)時間緊、任務(wù)重。

       碳達峰、碳中(zhōng)和作(zuò)為(wèi)具(jù)有(yǒu)時間緊迫性、階段性執行的國(guó)家戰略目标，同時也是排放與吸收的收支中(zhōng)和過程，量化監測跟蹤是非常重要的環節。政府需要精(jīng)準監測和管理(lǐ)手段，行業和企業作(zuò)為(wèi)實現碳中(zhōng)和的中(zhōng)堅力量，也需要監管和自我管理(lǐ)、探索優化發展的能(néng)力和工(gōng)具(jù)。

       當前，我國(guó)明确了“雙碳”（碳達峰、碳中(zhōng)和）的總路徑：力争通過對能(néng)源、工(gōng)業、交通、建築等重點行業提高能(néng)源使用(yòng)效率和産(chǎn)業結構調整，推進減排，在10年之内，也就是2030年使碳排放達到峰值；此後，通過能(néng)源系統轉型和碳封存，用(yòng)30年時間，在2060年實現淨零碳。碳中(zhōng)和的核心概念是碳排放量“收支相抵”，是指企業、團體(tǐ)或個人測算在一定時間内，直接或間接産(chǎn)生的溫室氣體(tǐ)排放，由植樹造林、節能(néng)減排等形式進行抵消，實現零碳排放。依照這樣的概念，實現碳中(zhōng)和主要方法有(yǒu)兩種：（1）碳減排：遏制碳排放，節能(néng)減排，構建低碳産(chǎn)業體(tǐ)系；（2）碳吸收：維護自然資源和生态環境，植樹造林，吸收碳排放。

 

第二章 “嗅碳”衛星

       “嗅碳”衛星是人造地球衛星中(zhōng)專門用(yòng)于對地球二氧化碳濃度測量的衛星，“嗅碳”衛星對二氧化碳濃度的測量精(jīng)度能(néng)夠達到百萬分(fēn)之一，是人們掌握高精(jīng)度二氧化碳測量數據的得力“幫手”。 目前僅有(yǒu)３顆“嗅碳”衛星在太空中(zhōng)工(gōng)作(zuò)，分(fēn)别是專門測量大氣中(zhōng)二氧化碳濃度的美國(guó)“軌道碳觀測者２号”、觀測大氣中(zhōng)二氧化碳和甲烷等濃度的日本“呼吸”号以及我國(guó)新(xīn)發射的首顆碳衛星。

2.1. OCO-2衛星

       軌道碳觀測衛星-2(OCO-2)是美國(guó)航空航天局(NASA)第一顆研究二氧化碳排放的衛星。NASA希望通過OCO-2觀測了解陸地與海洋吸收之外的CO2在全球大氣中(zhōng)的不均勻分(fēn)布，對碳排放、碳循環進行精(jīng)确地測量，提高對溫室氣體(tǐ)的自然來源與人為(wèi)排放的理(lǐ)解，改善全球碳循環模型，更好地表征大氣中(zhōng)CO2的變化，進而更準确地預測全球氣候變化。

       OCO-2将均勻采樣地球陸地和海洋上空的大氣，在為(wèi)期2年時間裏對地球受到太陽照射的一半區(qū)域每天進行50萬次采樣，以确定的精(jīng)度、分(fēn)辨率和覆蓋率提供區(qū)域地理(lǐ)分(fēn)布和季節變化的完整圖像。OCO-2儀器的3個高分(fēn)辨率光譜儀将對太陽進行光學(xué)譜監測，聚焦到不同的色帶範圍，分(fēn)析測定特定顔色被CO2和氧分(fēn)子吸收的情況。這些特定顔色被吸收的光量與大氣中(zhōng)CO2濃度成正比，研究人員将在計算模型中(zhōng)引入這些新(xīn)數據以建立量化全球的碳源與碳彙。

       OCO-2光譜儀的設計目标是測量太陽光經過地表反射之後，太陽光将兩次穿過地球大氣層。大氣層中(zhōng)的CO2分(fēn)子和O2分(fēn)子具(jù)有(yǒu)非常特殊的光譜特性，因此，當光線(xiàn)抵達OCO-2衛星有(yǒu)效載荷時，太陽光将在這些特殊譜段上損失相應的能(néng)量，OCO-2的光栅光譜儀将太陽光散射開來，就可(kě)以獲取相應譜段上的CO2和O2的吸收能(néng)量，從而測量出當地大氣中(zhōng)CO2和O2的氣體(tǐ)含量。

 

表1 OCO-2載荷的性能(néng)指标

載荷	3台共視軸，高分(fēn)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(fēn)析能(néng)量	> 20,000
光學(xué)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軌道高度和開縫寬度決定）
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(guó)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(tǐ)觀測衛星"伊吹"（GOSAT）獲得的數據和晴天觀測的數據分(fēn)析，提供全球大氣中(zhōng)二氧化碳和甲烷的氣柱平均濃度（在垂直地表人的大氣柱中(zhōng)，單位面積所含相關甲烷量與幹燥空氣量的體(tǐ)積比）的數據産(chǎn)品。采用(yòng)由此獲得的二氧化碳氣柱平均濃度，用(yòng)大氣傳輸模型的反解分(fēn)析（逆模型解析），來測算全球各區(qū)域二氧化碳的吸收和排出的淨值情況（來自自然和人為(wèi)的二氧化碳的淨吸收排放）。

       日本GOSAT是世界上第一顆專門用(yòng)于探測大氣CO2的超光譜衛星。GOSAT的軌道高度為(wèi)666km，每天繞地球14圈，回歸周期為(wèi)3天，其上搭載的TANSO-FST 傳感器是一台邁克爾遜幹涉儀，可(kě)獲得3個短波紅外範圍的窄波段（0.76um、1.6 um和 2.0 um）和一個熱紅外寬波段（5.5—14.3 um）的吸收超光譜。TANSO-FST的瞬時視場為(wèi)15.8 mrad，對應地表水平面高度上的天底“腳印”直徑10.5 km。 TANSO-FST 獲得的超光譜波譜數據經處理(lǐ)可(kě)獲得 XCO2産(chǎn)品。

       GOSAT 短波紅外 CO2二級産(chǎn)品是GOSAT單點觀測的大氣整層的 XCO2，它由 GOSAT 獲取的3個短波紅外吸收光譜采用(yòng)最優估計的方法反演得到。GOSAT短波紅外波譜經雲濾除及其他(tā)預處理(lǐ)，獲得可(kě)用(yòng)于反演的無雲吸收光譜，在獲取先驗知識基礎上，采用(yòng)最優估計方法反演大氣 XCO2，最後經質(zhì)量濾除，得到整層大氣的XCO2産(chǎn)品。

       觀測傳感器是GOSAT衛星的核心部門，主要包括：傅裏葉變換光譜儀（FTS）、雲和氣溶膠成像儀（CAI），FTS用(yòng)于溫室氣體(tǐ)探測，CAI用(yòng)于同步收集雲和氣溶膠信息。兩者合稱為(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(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
光譜範圍（μm）	0.370-0.390	0.668-0.688	0.860-0.880	1.56-1.65
中(zhōng)心波長(cháng)（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(fēn)辨率（m）	500			1500

 

GOSAT衛星産(chǎn)品：

       JAXA負責将接收的原始數據（L0級數據）處理(lǐ)為(wèi)L1級光譜産(chǎn)品後，由NIES負責開發數據處理(lǐ)算法、驗證數據整理(lǐ)，并分(fēn)發管理(lǐ)更高級别的數據産(chǎn)品；NOE負責推動數據産(chǎn)品的應用(yòng)。按照數據處理(lǐ)過程，GOSAT産(chǎn)品可(kě)以分(fēn)為(wèi)以下幾個級别：

       （1）L0級産(chǎn)品：地面接收站接收到的原始幹涉圖、相應的未定标圖像數據級輔助數據。

       （2）FTS-L1A産(chǎn)品：包括原始幹涉圖、定标數據、時間記錄信息

       傳感器狀态參數和尺度轉換相關參數。

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

       （4）FTS-TIR L1B産(chǎn)品：經過黑體(tǐ)輻射定标後的熱紅外光譜數據。

       （5）CAI L1B産(chǎn)品：經過輻射定标、幾何校正後的光譜數據。

       （6）FTS-SWIR L2産(chǎn)品：根據CO2和CH4吸收光譜反演得到的CO2和CH4平均柱濃度。

       （7）FTS-TIR L2産(chǎn)品：利用(yòng)FTS熱紅外波段反演得到的CO2和CH4垂直廓線(xiàn)資料。

       （8）CAI L2産(chǎn)品：雲标示産(chǎn)品。

       （9）FTS L3産(chǎn)品：根據CO2和CH4濃度數據，經過克裏金插值後得到的全球2.5°×2.5°月平均濃度分(fēn)布數據。

       （10）CAI L3産(chǎn)品：包括全球輻射分(fēn)布、全球反照率産(chǎn)品、NDVI、全球雲及氣溶膠屬性産(chǎn)品。

       （11）L4A級産(chǎn)品：全球劃分(fēn)為(wèi)64個區(qū)域，利用(yòng)FTS-SWIR L2數據結合地表觀測數據，經大氣傳輸模型反演得到的CO2月平均通量産(chǎn)品。

       （12）L4B級産(chǎn)品：基于L4A産(chǎn)品得到的全球2.5°×2.5°，6h平均三維CO2濃度産(chǎn)品。

 

2.3. TANSAT衛星

       碳衛星（TANSAT）是由中(zhōng)國(guó)自主研制的首顆全球大氣二氧化碳觀測科(kē)學(xué)實驗衛星。

       碳衛星總質(zhì)量620千克，搭載一體(tǐ)化設計的兩台科(kē)學(xué)載荷，分(fēn)别是高光譜二氧化碳探測儀以及起輔助作(zuò)用(yòng)的多(duō)譜段雲與氣溶膠探測儀。

       TANSAT衛星主要有(yǒu)3種觀測模式，分(fēn)别是天底模式、耀斑模式和目标模式。探測儀器的視線(xiàn)指向當地的最低點（即天底觀測模式，Nadir observation） 或者是閃爍的光點（即耀斑觀測模式，Glint observation），還可(kě)以瞄準選定的地球表面校準和驗證點（即目标觀測模式，Target observation）。Nadir觀測模式提供了最佳的水平空間分(fēn)辨率，并有(yǒu)望在部分(fēn)多(duō)雲地區(qū)或地形上産(chǎn)生更多(duō)有(yǒu)用(yòng)的 XCO2探測。Glint觀測模式在黑暗、鏡面表面有(yǒu)比較大的信噪比，預計在海洋上會産(chǎn)生更有(yǒu)用(yòng)的探測結果。通常，碳衛星在Nadir觀測模式和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，并收集成千上萬的觀測數據，大量的測量減少了随機誤差的影響，并提供了識别目标附近XCO2場空間變異性的信息。

       目前，碳衛星已經對外共享了經過定标後的L1B光譜數據集，所有(yǒu)産(chǎn)品文(wén)件都是以層次型科(kē)學(xué)數據格式HDF-5發布。這種格式有(yǒu)助于創建邏輯數據結構，通過将數據産(chǎn)品組織到文(wén)件夾和子文(wén)件夾中(zhōng)，每個文(wén)件對應一個軌道連續模式的數據集。

 

表4 中(zhōng)國(guó)碳衛星技(jì )術參數表

中(zhōng)國(guó)碳衛星技(jì )術參數
軌道類型	太陽同步軌道
軌道标稱高度	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、高光譜溫室氣體(tǐ)探測儀

       碳衛星搭載了一台高空間分(fēn)辨率的高光譜溫室氣體(tǐ)探測儀，高光譜與高空間分(fēn)辨率大氣二氧化碳探測儀(Atmospheric Carbon-dioxide Grating Spectrometer ACGS)：重約170kg，功率約為(wèi)700w，其基于大氣吸收池原理(lǐ)，利用(yòng)對地球反射的近紅外/短波紅外太陽輻射對大氣中(zhōng)二氧化碳的含量進行探測，獲取高精(jīng)度的大氣吸收光譜。對吸收光譜的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氣懸浮微粒等幹擾因素，應用(yòng)反演算法即可(kě)計算出衛星在觀測路徑上二氧化碳的柱濃度。通過對全球柱濃度的序列分(fēn)析，并借助數據同化系統的一系列模型，可(kě)推演出全球二氧化碳的通量變化。本載荷采用(yòng)大面積衍射光栅對吸收光譜進行細分(fēn)，能(néng)夠探測2.06μm、1.6μm、0.76μm 三個大氣吸收光譜通道，最高分(fēn)辨率達到0.04nm。

       探測儀的工(gōng)作(zuò)原理(lǐ)，是在可(kě)見光和近紅外譜段，利用(yòng)分(fēn)子吸收譜線(xiàn)探測二氧化碳等溫室氣體(tǐ)濃度。高光譜二氧化碳探測儀設有(yǒu)3個通道，其中(zhōng)，在760納米的O2-A通道的光譜分(fēn)辨率最高可(kě)以達到0.04納米，能(néng)夠捕獲植被日光誘導葉綠素熒光對Fe（758納米）和KI（771納米）兩個太陽弗朗霍夫暗線(xiàn)的填充效應，從而不僅能(néng)對全球大氣中(zhōng)二氧化碳濃度進行動态監測，還能(néng)高精(jīng)度反演植被葉綠素熒光。衛星尺度葉綠素熒光能(néng)夠精(jīng)确估算全球植被光合生産(chǎn)力，結合同步反演的大氣二氧化碳濃度數據，二者協同将能(néng)夠極大提升全球碳源彙觀測能(néng)力。

 

表5 高空間分(fēn)辨率的高光譜溫室氣體(tǐ)探測儀參數表

光譜範圍（nm）	通道數量	光譜分(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

       碳衛星還搭載了一台多(duō)譜段的雲與氣溶膠偏振成像儀，成像儀可(kě)以測量雲、大氣顆粒物(wù)等輔助信息，為(wèi)科(kē)學(xué)家精(jīng)确反向推演二氧化碳濃度剔除幹擾因素，還可(kě)以幫助氣象學(xué)家提高天氣預報的準确性，并為(wèi)研究PM2.5等大氣污染成因提供重要數據支撐。

       作(zuò)為(wèi)中(zhōng)國(guó)首顆碳衛星載荷，高光譜溫室氣體(tǐ)探測儀、雲與氣溶膠偏振成像儀為(wèi)溫室氣體(tǐ)排放、碳核查等領域的研究提供基礎數據，為(wèi)節能(néng)減排等宏觀決策提供數據支撐，增加了中(zhōng)國(guó)在國(guó)際碳排放方面的話語權。

 

表6 多(duō)譜段雲與氣溶膠偏振成像儀參數表

中(zhōng)心波長(cháng)（nm）	光譜帶寬（nm）	極化角度	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 衛星遙感對雙碳政策的技(jì )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(zhì)特性的技(jì )術手段，可(kě)以獲取地球表面溫度，在城市熱島效應、林火監測、旱災監測等領域有(yǒu)很(hěn)好的應用(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	熱紅外光譜範圍 （μm）	空間分(fēn)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(fēn)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(zhōng)等高分(fēn)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（重采樣為(wèi)30米） 120m	185kmx185km
IRS紅外相機	HJ-1A/B (中(zhōng)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（重采樣為(wèi)30米）	185kmx185km

 

       針對雙碳政策，利用(yòng)熱紅外遙感技(jì )術進行對地溫度反演，對于監測全球氣候變暖也被廣泛的關注，近年來，與地表溫度（LST）反演、大氣輻射傳輸有(yǒu)關的應用(yòng)需求增長(cháng)較快，大氣輻射傳輸的過程研究與定量化反演蓬勃發展，如大氣輻射傳輸理(lǐ)論模型。

       此外，CO2濃度的時空分(fēn)布梯度與地表碳通量呈相關關系，熱紅外波長(cháng)大與4微米，大氣散射輻射不僅是大氣溫度的函數，而且也是大氣内部組成的函數。對于一個特定波長(cháng)，吸收系數與大氣組成、溫度和壓力有(yǒu)關。一般大氣對熱紅外輻射的衰減主要是由氣體(tǐ)分(fēn)子的吸收和氣體(tǐ)分(fēn)子、氣溶膠的散射所引起的，大氣對熱紅外的吸收體(tǐ)主要是CO2、水汽和O3：

       O3吸收帶為(wèi)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；水在低空一般以氣态形态存在，水蒸氣在8.0-12.5微米為(wèi)連續吸收帶，H2O中(zhōng)心吸收帶為(wèi)6.3微米；CO2主要吸收帶為(wèi)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10.4微米有(yǒu)弱吸收帶。熱紅外探測的主要估算方法是通過已知大氣溫度廓線(xiàn)推算吸收氣體(tǐ)濃度及吸收系數，一般來說，随着氣體(tǐ)濃度的增大，相應的波段可(kě)探測到的大氣層也越高。通過利用(yòng)已知的溫度廓線(xiàn)調整測量和模拟的輻射值，可(kě)估算吸收氣體(tǐ)濃度。

       通過大氣傳輸反演模型，可(kě)以估算與大氣濃度分(fēn)布相一緻的碳通量的空間分(fēn)布，在熱紅外波段，地表溫度和大氣輻射明顯高于太陽輻射及地表和大氣反射，但當波長(cháng)小(xiǎo)于3微米時，地球觀測衛星儀器系統可(kě)以觀測太陽輻射、地表反射以及大氣散射的輻射。反射表現出能(néng)夠反映輻射傳輸過程的一些波譜變化。所謂“大氣窗口”波譜段，就是透過率較高，大氣輻射随地表反射函數而變化的波段。在其他(tā)的波段，電(diàn)磁波通過大氣層時較多(duō)被吸收，測量結果是大氣吸收物(wù)質(zhì)數量的函數。高波譜分(fēn)辨率觀測技(jì )術可(kě)以識别不同氣體(tǐ)的吸收線(xiàn)，從相對深度中(zhōng)獲取不同大氣分(fēn)子的濃度數據。

 

圖1 不同大氣成分(fēn)的大氣窗口

 

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“雙碳”時空監管平台，助力推進“雙碳”與時空大數據結合，探索碳的時空分(fēn)布特征，對碳排放量和空間分(fēn)布、強度進行量化客觀監測和溯源，實現資源開發利用(yòng)的動态監管。

       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、遙感影像數據、三維動态建模數據以及各級各類圖表數據規範化管理(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(wù)流程之間的邏輯關系，加強空間分(fēn)析能(néng)力，實現海量空間數據快速組織，實現檢查入庫、數據更新(xīn)、編輯查詢、統計輸出、交換發布等一體(tǐ)化數據綜合管理(lǐ)，增強快速響應多(duō)用(yòng)戶、大數據下的數據服務(wù)能(néng)力。

       最後，優化“雙碳”時空大數據可(kě)視化展示，優化可(kě)視化渲染效果，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(zhōng)國(guó)大氣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(tǐ)大氣層的柱濃度監測

       CO2的柱平均幹空氣柱濃度摩爾分(fēn)數 （簡稱CO2的平均柱濃度） 是将二氧化碳柱總量用(yòng)同時從O2-A帶反演得到的氧氣柱總量歸一化後得到的。因為(wèi) O2分(fēn)子在空氣中(zhōng)的變化十分(fēn)微小(xiǎo)，是一種被廣泛認可(kě)的、可(kě)以準确計算空氣柱含量的氣體(tǐ)。所以近地面CO2平均柱濃度 （幹燥空氣下）可(kě)以表達為(wèi)：

XCO2=CO2col/（O2col/O2mf）

       式中(zhōng)：XCO2表示CO2平均柱濃度（幹燥空氣下），單位為(wèi)mg/L；CO2col表示反演的CO2的絕對柱總量，單位為(wèi)mol/cm2；O2col表示反演的O2絕對柱總量，單位為(wèi)mol/cm2；O2mf為(wèi)轉換常數，用(yòng)于将O2的柱含量轉化為(wèi)幹燥空氣的柱含量，一般取值為(wèi)0.2095。CO2絕對柱總量和O2絕對柱總量是分(fēn)别反演得到的。

       通過嗅碳衛星，如TANSAT，結合氣溶膠數據和HITRAN2012大氣分(fēn)子吸收譜數據庫可(kě)以對CO2氣體(tǐ)大氣層的柱濃度進行反演估算。

 

圖4 全球XCO2 數據時空尺度統合後的月均值