本期嘉賓

　　● 精彩看點(diǎn)

　　中國科學(xué)院大氣物理研究所劉毅研究組聯(lián)合中、英多位科學(xué)家，在《大氣科學(xué)進(jìn)展》發(fā)表研究論文，介紹中國碳衛星首幅全球碳通量數據，助力我國雙碳目標和全球盤(pán)點(diǎn)行動(dòng)。該團隊基于我國第一顆全球二氧化碳監測科學(xué)實(shí)驗衛星-中國碳衛星（TanSat）的大氣二氧化碳含量觀(guān)測，利用先進(jìn)的碳通量計算系統，獲取了中國碳衛星首個(gè)全球碳通量數據集。這是一個(gè)里程碑式的結果，標志著(zhù)我國具備了全球碳收支的空間定量監測能力，是國際上繼日本、美國之后的第三個(gè)具備該技術(shù)的國家。全球盤(pán)點(diǎn)（《巴黎協(xié)議》）有助于了解溫室氣體減排、增匯等行動(dòng)對氣候變化趨勢的影響，衛星遙感將在全球統一、無(wú)偏差的碳收支核算中發(fā)揮重大作用。新一代衛星的設計與研發(fā)將面向我國雙碳目標的監測需求、國際社會(huì )的盤(pán)點(diǎn)需求，助力人類(lèi)命運共同體實(shí)現“碳中和”。

　　特? 邀

　　中國碳衛星助力我國雙碳目標和全球盤(pán)點(diǎn)

　　●我國雙碳目標和全球盤(pán)點(diǎn)

　　2020年9月，我國莊嚴提出二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現碳中和的偉大愿景。同時(shí)承諾我國將采取更加有力的政策和措施，提高國家自主貢獻（NDC）力度。

　　二氧化碳（CO2）是地球大氣的重要組成部分，體積組份約占大氣的0.04%。自工業(yè)革命以來(lái)，人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)和科技發(fā)展大量消耗化石燃料，向大氣釋放了大量CO2等溫室氣體，打破了CO2在大自然中長(cháng)期的循環(huán)平衡，導致大氣中的CO2含量急劇上升。大氣中的CO2會(huì )產(chǎn)生較強的溫室效應，含量過(guò)高將導致全球地表溫度升高，因此被認為是造成氣候變化的關(guān)鍵原因。為減緩CO2過(guò)度排放造成的氣候變化，自1992年以來(lái)，《聯(lián)合國氣候變化框架公約》逐步對各國排放狀態(tài)加強約束。第13次締約方會(huì )議（COP13，2007年）通過(guò)的“巴厘島路線(xiàn)圖”中提對溫室氣體的排放要做到“可測量、可報告、可核查”的“三可”原則（MRV）。2009年，哥本哈根氣候大會(huì )（COP15）提出目標：“全球平均氣溫不高于工業(yè)革命前水平2攝氏度以?xún)?。升溫控制?.5攝氏度之內而努力”。隨后，《巴黎協(xié)定》為進(jìn)一步督促各國的自主貢獻（NDC），提出了自2023年起，每五年進(jìn)行一次全球盤(pán)點(diǎn)（Global Stocktaking）的計劃，盤(pán)點(diǎn)各國的實(shí)際行動(dòng)在減緩氣候變化中的貢獻。因此減排（增匯）成為盤(pán)點(diǎn)的核心對象。

　　當前溫室氣體減排的成效評估多依賴(lài)于清單方法，政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì )（IPCC）制定了《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》（下稱(chēng)《指南》），要求各國清單須按照《指南》的方法要求編制。即便如此，國別清單的誤差、偏差、透明度等問(wèn)題，依然無(wú)發(fā)避免。隨著(zhù)人類(lèi)科技水平的進(jìn)步，大氣探測和模型模擬技術(shù)的飛速發(fā)展，通過(guò)大氣CO2濃度觀(guān)測溯源排放的方法被認為可以有效驗證清單（MVS），因此在2019年修訂版中，該方法被正式寫(xiě)入《指南》。

　　我國國民經(jīng)濟、生產(chǎn)力和生活水平均處在飛速發(fā)展期，對能源的需求與消耗較大，成為世界上CO2排放大國之一。雙碳目標的提出，體現出我國在氣候和環(huán)境治理方面的決心、大國擔當的雄心和應對人類(lèi)命運共同體面臨威脅的責任心。雙碳目標的實(shí)現，是人類(lèi)對自然有序適應的體現，將通過(guò)不斷的調整人類(lèi)社會(huì )發(fā)展路線(xiàn)，最終實(shí)現與自然的協(xié)調共生。

《大氣科學(xué)進(jìn)展》2018年第6期封面

　　封面展示了 中國科學(xué)院大氣物理研究所劉毅研究組應用中國科學(xué)院大氣物理研究所研發(fā)的基于衛星觀(guān)測的大氣CO2濃度反演算法(Institute of Atmospheric Physics Carbon Dioxide Retrieval algorithm for satellite remote sensing, IAPCAS) 對中國碳衛星（封面中所示衛星）資料進(jìn)行反演實(shí)驗，獲取了首幅全球陸地表面的大氣CO2分布，圖中填色圖上圖和下圖分別展示了2017年4月和7月大氣CO2全球分布，其中紅色表示CO2濃度較高的地區，藍色表示濃度低的地區。

　　●大氣濃度測量支撐清單驗證的方法

　　利用大氣濃度測量進(jìn)而計算碳排放和碳吸收的方法被稱(chēng)作“自上而下”，與清單使用的基于過(guò)程模型、統計計算的“自下而上”方法有很大區別。大氣探測可以獲取某一時(shí)刻或一段時(shí)間內大氣中CO2含量的狀態(tài)或者其變化量，大氣CO2是惰性氣體，其化學(xué)活性很低，因此其含量的變化主要來(lái)自于大氣的輸送和地（海）氣的交換。其中，大氣輸送只是將CO2從一個(gè)地點(diǎn)送到另一個(gè)地點(diǎn)，僅改變其空間分布，不會(huì )改變全球大氣中CO2的總量；地氣交換是改變大氣中CO2含量的原因，地球（包括陸地和海洋）從大氣中吸收CO2，則大氣中CO2含量降低，我們稱(chēng)之為匯，例如：植被通過(guò)光合作用吸收CO2就是一個(gè)重要的碳匯；反之，地球向大氣排放CO2，導致大氣CO2含量增加，我們稱(chēng)之為源，例如：人類(lèi)燃燒化石燃料向大氣排放CO2是導致氣候變化的重要源?；谟^(guān)測，我們可以知道大氣中CO2含量狀態(tài)和隨時(shí)間的變化趨勢，大氣輸送的過(guò)程，我們可以使用大氣輸送模型進(jìn)行模擬，而余下的變化則歸結為地氣交換的源、匯作用，這即是“自上而下”溯碳源的方法。

　　綜上所述，“自上而下”方法主要依賴(lài)于兩方面，觀(guān)測和模擬。觀(guān)測是眼睛，因此對于觀(guān)測，我們要求看的準、看的廣、看的全、看的清，看的準是指觀(guān)測精度一定要高，看的廣指觀(guān)測需要覆蓋大氣的每個(gè)角落，看的全指觀(guān)測要做到長(cháng)時(shí)間不間斷，看的清指觀(guān)測的分辨率要高。這樣我們通過(guò)觀(guān)測才能描繪出一個(gè)真實(shí)的大氣CO2含量狀態(tài)和變化趨勢。地面觀(guān)測可以很好的做到“看的準、看的全”，其在高精度、連續觀(guān)測上具有很強優(yōu)勢，但是對于全局描繪大氣CO2來(lái)講，看的廣、看的清是必要的。衛星遙感由于特殊的觀(guān)測地點(diǎn)和方式，決定了其可以在CO2全球觀(guān)測中發(fā)揮較大作用，特別是在全球覆蓋高分辨率的觀(guān)測上（看的廣、看的清）。模擬主要通過(guò)大氣輸送模型，利用高性能計算機，模擬出大氣CO2傳輸過(guò)程和每一個(gè)時(shí)刻、每一個(gè)地方大氣CO2的含量。因此對于某一個(gè)時(shí)刻、某一個(gè)地方的CO2含量，我們會(huì )有一個(gè)觀(guān)測值和一個(gè)模擬值組成一對觀(guān)測-模擬數據，這一對數據必然會(huì )存在差異，觀(guān)測和模擬都會(huì )存在誤差，因此不會(huì )完全等于真實(shí)數值，因此對于觀(guān)測-模擬數據對來(lái)講，我們希望得到一個(gè)最接近于真實(shí)的數值，推廣至所有觀(guān)測-模擬數據對，我們要全面考慮將其協(xié)調一致，因此我們需要一套方法，稱(chēng)之為“數據同化”，使觀(guān)測和模擬“同化”一致。

圖源：Tansat 團隊

　　●中國碳衛星計劃：全球碳監測的堅實(shí)的第一步

　　2009年，日本成功發(fā)射了國際上第一顆溫室氣體專(zhuān)用探測衛星GOSAT，美國OCO-2緊隨其后，于2014年發(fā)射升空。2016年12月22日，中國碳衛星在酒泉衛星發(fā)射基地成功發(fā)射升空并在軌運行，成為國際第三顆溫室氣體衛星。中國碳衛星（TanSat），全稱(chēng)是全球二氧化碳監測科學(xué)實(shí)驗衛星，是十二五期間，由中國科技部立項，中國科學(xué)院負責工程總體，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心、微小衛星創(chuàng )新研究院、長(cháng)春光學(xué)精密機械與物理研究所、大氣物理研究所和中國氣象局國家衛星氣象中心等多家單位共同承擔的科學(xué)實(shí)驗衛星計劃，目標是實(shí)現全球大氣二氧化碳柱平均干空氣混合比（XCO2，下文簡(jiǎn)稱(chēng)“濃度”）的高精度監測，為碳排放科學(xué)研究提供衛星資料。中國碳衛星是一顆近極地太陽(yáng)同步衛星，飛行高度約700公里，每天繞地球飛行約14圈。其上搭載了主載荷“高光譜分辨率大氣二氧化碳探測儀”和輔助載荷“云和氣溶膠偏振成像儀”。其中，主載荷高光譜分辨率大氣二氧化碳探測儀，利用對地球反射的近紅外/短波紅外太陽(yáng)輻射對大氣中二氧化碳的含量進(jìn)行探測。

圖1. 中國碳衛星最新版（V2）CO2柱濃度數據產(chǎn)品（www.chinageoss.org/tansat）

　　數據質(zhì)量，特別是觀(guān)測精度，是制約衛星數據有效應用的瓶頸，CO2的衛星監測精度需求高于0.5%，這在衛星大氣成分遙感領(lǐng)域中是非常高的要求。中國碳衛星的首幅CO2分布數據，在衛星完成在軌測試后，由中國科學(xué)院大氣物理研究所依靠自主研發(fā)的反演系統獲取并向全球公開(kāi)發(fā)布，平均精度達到了2.11 ppm （單位意義：體積混合比百萬(wàn)分之一）。在中國碳衛星發(fā)射四周年之際，在改進(jìn)了數據質(zhì)量和反演算法后，生產(chǎn)了新一版的數據產(chǎn)品，產(chǎn)品偏差和精度分別達到-0.08 ppmv和1.47 ppmv，探測精度躋身于全球領(lǐng)先地位（圖1）。與此同時(shí)，中歐開(kāi)展了針對中國碳衛星全球碳監測的相關(guān)合作研究，中國碳衛星加入歐洲空間局（ESA）第三方衛星計劃，間接表明了我國碳衛星及其觀(guān)測數據開(kāi)始逐步走向世界。

　　以此為基礎，本文介紹首次利用TanSat的XCO2觀(guān)測數據獲得全球碳通量的時(shí)空分布數據。本研究利用一套集合卡曼濾波(ETKF)的碳同化系統與 GEOS-Chem 全球化學(xué)輸送模式相結合，從而同化模擬與觀(guān)測。結果表明，與先驗通量相比，后驗誤差減少顯著(zhù) (30%–50%)，說(shuō)明TanSat的觀(guān)測數據為全球碳通量算提供了有效的信息。利用 TanSat 觀(guān)測資料估算了 12 個(gè)月（2017 年 5 月至 2018 年 4 月）的全球陸地碳凈通量為6.71 ± 0.76 Gt C yr?1，這與利用日本GOSAT衛星和美國OCO-2衛星資料的結果大體一致。為進(jìn)一步使用TanSat觀(guān)測資料來(lái)量化生物圈 - 大氣碳交換的深入研究奠定了基礎。這一結果是TanSat的里程碑，表明我國首顆碳衛星具有全球碳通量監測的能力（圖2）。

圖2. 中國碳衛星（TanSat）監測全球碳源匯示意圖

　　中國碳衛星是我國第一代溫室氣體監測專(zhuān)用衛星，實(shí)現了空間溫室氣體高精度監測的從無(wú)到有，邁開(kāi)了重要且艱難的第一步。然而，更大的挑戰在于如何用好衛星遙感這一探測手段，服務(wù)于全球盤(pán)點(diǎn)和我國雙碳目標的實(shí)現。大氣CO2是導致氣候變化的主因之一，其增與減卻涉及大氣圈、生態(tài)圈、巖石圈、海洋圈、人類(lèi)圈等多個(gè)圈層的相互聯(lián)系，科學(xué)的利用觀(guān)測和模型剖析CO2在這些圈層間的循環(huán)是我們制定前進(jìn)方向的必經(jīng)之路。面向未來(lái)和我國新一代天基碳監測系統的設計工作已經(jīng)開(kāi)始，更全面、有效的探測將為精準的源匯識別奠定堅實(shí)的基礎。

　　小知識

　　小知識：什么是碳達峰、碳中和？

　　“碳達峰”是指某個(gè)地區或行業(yè)，年度碳排放量達到歷史最高值，是碳排放量由增轉降的歷史拐點(diǎn)，標志著(zhù)經(jīng)濟發(fā)展由高耗能、高排放向清潔的低能耗模式轉變。

　　“碳中和”是指某個(gè)地區在一定時(shí)間內，人類(lèi)活動(dòng)直接和間接排放的碳總量，與通過(guò)植樹(shù)造林、工業(yè)固碳等方式吸收的碳總量相互抵消，實(shí)現碳“凈零排放”。