走进碳达峰碳中和|卫星遥感技术实现温室气体高精度监测

2021-08-12 17:25:00
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专栏介绍

气候变化是事关人类前途命运的一个重大挑战,需要我们携起手来共同应对。“碳中和联合研究中心”将聚焦江苏省减污降碳协同控制过程中出现的重点、难点问题,定期推出相关研究进展,为江苏省开展碳达峰、碳中和管理工作提供科技保障。“碳中和联合研究中心”由江苏省环境科学保护研究院、中国矿业大学共同发起,重点围绕减污降碳协同控制管理配套政策、制度、标准和关键技术等方面,联合省内外高校、科研院所共同开展研究,打造成为江苏省低碳研究的开放科研平台。

科学准确地监测温室气体浓度和来源是温室气体排放统计、核查的基础,不仅有助于客观、全面和及时掌握温室气体排放及演变规律,提高温室气体清单编制精确度,还能正确认识各部门各行业温室气体减排潜力并监督其落实减排目标,更好的为政府管理决策提供全面扎实的信息和数据。同时,准确跟踪监测各部门各行业的温室气体排放量,有助于碳排放量配额的合理分配,使碳排放权交易的市场机制更加有效的发挥作用。

温室气体卫星遥感监测技术

温室气体监测可以分为温室气体的大气背景浓度监测、主要生态系统温室气体通量监测、典型温室气体排放源监测三种类型。传统的监测方法有高光谱红外成像光谱仪监测(固定或无人机、车载)技术、基于涡度相关技术(EC)的城市CO2本底监测技术、固定设备(二氧化碳和气象要素测量传感器)监测技术,以及土壤分子生态网络监测技术等。相对于传统温室气体监测方法,卫星遥感监测技术不受时间、地点限制,覆盖面广且无需大量人力协助,获得国际广泛关注。2019年第49届IPCC(联合国政府间气候变化专门委员会)全会明确了利用卫星遥感观测通过“自上而下”通量计算对排放清单进行支撑和验证。温室气体监测卫星是温室气体卫星遥感监测技术的核心。

监测对象:

二氧化碳和甲烷由于温室效应最为显著和监测技术较为成熟的因素,是目前温室气体卫星遥感监测的主要监测对象。此外,虽然一氧化碳是一种非常弱的直接温室气体,但是对全球变暖具有重要的间接影响,也是卫星遥感技术监测的重要目标。

全球主要的温室气体监测卫星

进入21世纪以来,中国、欧盟、日本和美国均已发射了自己的温室气体监测卫星。国际上多个空间与环境机构、公司、政府、非政府组织提出了温室气体监测卫星发射计划,如法国国家空间研究中心的Micro-Carb任务,欧洲气象卫星应用组织的MetOp-SG A卫星,德国航空航天中心和法国国家空间研究中心甲烷遥感激光雷法任务,美国国家航空航天局的地球同步碳循环观测任务,GHGSat公司计划法发射的2颗温室气体监测卫星,Blue field技术公司计划发射的由20颗低对流层甲烷监测卫星组成的星座等。



欧洲温室气体监测卫星

欧洲于2002年3月1日发射的极轨对地环境观测卫星Envisat -1搭载了用于大气图表的扫描成像吸收光谱仪(SCIAMACHY),是全球第一个能测量二氧化碳和甲烷浓度的卫星传感器。


全球第一颗测量温室气体的卫星传感器SCIAMACHY

2017年10月,欧洲航天局发射了哨兵5先导卫星(Sentinel 5 Precursor),是欧洲全球环境监测计划中专门用于大气环境监测的卫星。该卫星搭载的对流层观测仪(TROPOMI)采用了宽幅天底扫描推扫式成像光谱仪,幅宽达2600 km,解决了早期卫星窄幅观测重访周期长的问题,能实现每天对全球甲烷和一氧化碳的观测。

日本温室气体监测卫星

日本于2009年1月23日发射了全球首颗专用温室气体观测卫星GOSAT-1,卫星只搭载了一个红外及近红外碳传感器,还包括两个光学遥感单元:傅里叶变换光谱仪(FTS)、云和气溶胶成像仪(CAI),二者合称为热和近红外碳观测传感器(TANSO),GOSAT-1能够对全球甲烷和二氧化碳进行观测。

2018年10月29日日本又成功发射了“IBUKI-2”(GOSAT-2),该卫星同样搭载了FTS和云和气溶胶成像仪,除可获取更高精度的甲烷和二氧化碳观测值,还可监测一氧化碳和PM2.5浓度。

美国温室气体监测卫星

美国于2009年2月24日尝试发射OCO-1轨道碳观测卫星,发射升空数分钟后出现意外导致失败。2014年7月2日成功发射OCO-2卫星,这是美国第一个用于监测地球大气二氧化碳水平的卫星,其目标是用与二氧化碳相关的吸收曲线监测窄幅度大气中二氧化碳的浓度变化,生成全球碳源汇的分布图。


OCO-2和GOSAT卫星传感器融合的中国及周边地区二氧化碳柱浓度分布图(XCO2)(2014-2020均值)

来源:Hai Nguyen, Junjie Liu, Susan, Kulawik, David Baker, Jonathan Hobbs, Amy Braverman, Matthias Katzfuss, and Vineet Yadav (2021), Multi-Instrument Fused bias-corrected XCO2and other select fields aggregated as Level 4 daily files.

我国温室气体监测卫星

截至目前,我国共发射两颗温室气体监测卫星。2016年12月22日,中国碳卫星(TANSAT)在酒泉卫星发射基地成功发射升空并在轨运行,成为继日本GOSAT-1和美国OCO-2后,国际上第三颗具有高精度温室气体探测能力的卫星。中国碳卫星搭载了一台高空间分辨率的高光谱温室气体探测仪,利用分子吸收谱线探测二氧化碳等温室气体浓度,为我国温室气体排放、碳核查等领域的研究提供了基础数据。中国碳卫星观测数据反演获得的2017年全球二氧化碳分布图,是首幅全球二氧化碳分布图,该图清晰地显示出由春入夏北半球二氧化碳浓度降低的趋势,表明了生态系统随季节变化的“固碳”作用,也反映出人类活动频繁地区二氧化碳浓度高的现象。


首幅中国碳卫星大气二氧化碳全球分布图

来源:中国科学院大气物理研究所. 大气所获取中国碳卫星首幅全球二氧化碳分布图. 2018-01-31.

2018年5月9日我国的高分五号卫星成功发射,该卫星搭载了大气温室气体探测仪(GMI)。高分五号卫星是世界首颗实现对大气和陆地综合观测的全谱段高光谱卫星,填补了国产卫星无法有效探测区域大气污染气体的空白,可对二氧化碳、甲烷等温室气体以及陆地植被、秸秆焚烧、城市热岛等多个环境要素进行监测。

温室气体监测技术发展趋势——“天-空-地”立体化碳监测

通过温室气体监测,对温室气体浓度和来源进行观察和分析,是进行碳核查、碳管理的前提。但是温室气体排放源的多样化和监测场景的复杂性,造成单一的温室气体监测技术无法满足应用需求。因此,综合卫星遥感技术、地面高光谱红外成像光谱仪监测方法、涡度相关技术和固定设备监测技术等的“天-空-地”立体化碳监测技术,成为温室气体监测技术的发展方向。通过构建“天-空-地”立体化、“动-静”结合的温室气体(CO2、CH4)监测网络,可以为城市及火电、化工、钢铁等重点行业碳排放核查、评估、核算提供依据,为碳交易提供监督、核查技术手段,为封存场地CO2泄漏、煤矿区CH4排放、采煤迹地CH4泄漏、煤火CO2排放等提供风险评价与预警技术,满足多种应用场景的需求.

建立满足“三可”(可报告、可调查与可核实)的温室气体定量监测系统是温室气体减排的重要基础。全球多个国家致力于发展以卫星遥感、地面监测站网络与空中流动监测平台相结合的温室气体集成监测系统。尽管目前已成功运行多颗温室气体监测卫星,但是现阶段温室气体监测卫星更多的是满足科学实验,距离商业化应用仍有一定距离,暂时无法实现对温室气体来源的准确观测和分析,其精确性和抗干扰能力亟待大幅提高。

江苏省作为我国的碳排放大省,火力发电CO2年排放量大、工业CO2排放点源多且分散,需要通过研发“天-空-地”立体化碳监测技术及与之配套的碳排放量核算体系,建设“天-空-地”一体化的碳监测平台,搭建县级及以上城市的碳监测网络,率先实现对温室气体全方位的立体实时跟踪监测,为江苏省重点行业碳排放核查、评估、核算提供依据,同时也为碳交易提供监督、核查技术手段和数据支撑,助力江苏省在碳交易领域占领先机。
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