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第一章 双碳政策背景

1.1. 现状分析

       自工业革命以来，由于化石燃料的燃烧、工业排放等人类活动的快速增加，全球大气 CO2 浓度逐年以约 2×10－6的增速升高，已成为导致全球变暖的重要原因。近年来，为减缓大气 CO2 浓度的持续升高以遏制全球变暖，各国均制定了相关减排政策。在经济社会快速发展的同时，我国加快推进绿色低碳转型、积极参与全球气候治理，取得了显著成效。面对全球气候变化和能源消耗问题，我国积极履行国际职责，先后签订《联合国气候变化框架公约》、《京都议定书》，并在2015年巴黎气候大会上提出“二氧化碳排放2030年左后达到峰值并争取尽早达峰，单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降60%-65%。” 

       但我国产业结构、能源结构转型任务仍任重而道远。

       有研究显示，能源消费是引起碳排放增长的主要原因，且两者之间存在着长期均衡的关系，即我国能源消费每增加1%，相应的碳排放增加0.78%；有统计表明，我国是全球碳排放量最高的国家，碳排放量占全球的近三分之一。2019年，全社会碳排放约105亿吨，其中能源活动碳排放约98亿吨，占全社会碳排放比重约87%。能源种类方面，燃煤发电和供热排放占能源活动碳排放比重44%，煤炭终端燃烧排放占比35%，石油、天然气排放比重分别为15%、6%；能源活动领域方面，能源生产与转换、工业领域碳排放占能源活动碳排放比重分别为47%、36%，其中工业领域钢铁、建材和化工三大高耗能产业占比分别达到17%、8%和6%，除此之外，交通运输、建筑领域碳排放占能源活动碳排放比重分别为9%、8%。

1.2. 政策解析

       为遏制全球变暖的严峻趋势，作为高速发展的碳排放大国，2020年9月22日第七十五届联合国大会一般性辩论会上，以及2020年12月12日气候雄心峰会上，习近平主席两次向全世界郑重宣布：中国提高国家自主贡献力度，力争2030年前碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和；到2030年，中国单位GDP二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右。

       目前已有127个国家承诺碳中和，这些国家的温室气体排放量占全球排放的50%，经济总量在全球的占比超过40%。欧盟和美国都表示在2050年实现碳中和，英国、日本、韩国等地区纷纷提出“绿色新政”，拜登将气候变化置于内外政策的优先位置，更多发展中国家明确低碳转型目标。“绿色低碳”将成为未来很长一段时间内的各国关键词。

       碳排放峰值是指一个经济体（地区）二氧化碳的最大年排放值，而碳排放达峰是指碳排放量在某个时间点达到峰值。核心是碳排放量增速持续降低直至负增长。碳中和是指在一定时间内直接或间接产生的温室气体排放总量，通过植树造林、节能减排等形式，以抵消自身产生的二氧化碳排放量，实现温室气体“净零排放”。核心是温室气体排放量的大幅降低，最终达到一个组织的一年内所有温室气体排放量与温室气体清除量“收支平衡”。

       作为世界上最大的发展中国家，中国“3060”的决心要求仅用10年达到峰值、30年降至零排放，中和斜率会远陡峭于欧美，减排速度要超出欧盟一倍，未来40年的碳中和任务时间紧、任务重。

       碳达峰、碳中和作为具有时间紧迫性、阶段性执行的国家战略目标，同时也是排放与吸收的收支中和过程，量化监测跟踪是非常重要的环节。政府需要精准监测和管理手段，行业和企业作为实现碳中和的中坚力量，也需要监管和自我管理、探索优化发展的能力和工具。

       当前，我国明确了“双碳”（碳达峰、碳中和）的总路径：力争通过对能源、工业、交通、建筑等重点行业提高能源使用效率和产业结构调整，推进减排，在10年之内，也就是2030年使碳排放达到峰值；此后，通过能源系统转型和碳封存，用30年时间，在2060年实现净零碳。碳中和的核心概念是碳排放量“收支相抵”，是指企业、团体或个人测算在一定时间内，直接或间接产生的温室气体排放，由植树造林、节能减排等形式进行抵消，实现零碳排放。依照这样的概念，实现碳中和主要方法有两种：（1）碳减排：遏制碳排放，节能减排，构建低碳产业体系；（2）碳吸收：维护自然资源和生态环境，植树造林，吸收碳排放。

 

第二章 “嗅碳”卫星

       “嗅碳”卫星是人造地球卫星中专门用于对地球二氧化碳浓度测量的卫星，“嗅碳”卫星对二氧化碳浓度的测量精度能够达到百万分之一，是人们掌握高精度二氧化碳测量数据的得力“帮手”。 目前仅有３颗“嗅碳”卫星在太空中工作，分别是专门测量大气中二氧化碳浓度的美国“轨道碳观测者２号”、观测大气中二氧化碳和甲烷等浓度的日本“呼吸”号以及我国新发射的首颗碳卫星。

2.1. OCO-2卫星

       轨道碳观测卫星-2(OCO-2)是美国航空航天局(NASA)第一颗研究二氧化碳排放的卫星。NASA希望通过OCO-2观测了解陆地与海洋吸收之外的CO2在全球大气中的不均匀分布，对碳排放、碳循环进行精确地测量，提高对温室气体的自然来源与人为排放的理解，改善全球碳循环模型，更好地表征大气中CO2的变化，进而更准确地预测全球气候变化。

       OCO-2将均匀采样地球陆地和海洋上空的大气，在为期2年时间里对地球受到太阳照射的一半区域每天进行50万次采样，以确定的精度、分辨率和覆盖率提供区域地理分布和季节变化的完整图像。OCO-2仪器的3个高分辨率光谱仪将对太阳进行光学谱监测，聚焦到不同的色带范围，分析测定特定颜色被CO2和氧分子吸收的情况。这些特定颜色被吸收的光量与大气中CO2浓度成正比，研究人员将在计算模型中引入这些新数据以建立量化全球的碳源与碳汇。

       OCO-2光谱仪的设计目标是测量太阳光经过地表反射之后，太阳光将两次穿过地球大气层。大气层中的CO2分子和O2分子具有非常特殊的光谱特性，因此，当光线抵达OCO-2卫星有效载荷时，太阳光将在这些特殊谱段上损失相应的能量，OCO-2的光栅光谱仪将太阳光散射开来，就可以获取相应谱段上的CO2和O2的吸收能量，从而测量出当地大气中CO2和O2的气体含量。

 

表1 OCO-2载荷的性能指标

载荷	3台共视轴，高分辨率成像光栅光谱仪
谱段	O2波段: 0.765 µm CO2波段1: 1.61 µm CO2波段2: 2.06 µm
分析能量	> 20,000
光学系统快速参数	f/1.8，高信噪比
扫描幅宽（穿轨向视场角14 mrad）	-星下点幅宽10.6km（由705km轨道高度和开缝宽度决定）
空间分辨率	1.29 km×2.25 km
载荷重量、功耗	140kg，105W

 

2.2. GOSAT卫星

       日本环境部、日本国家环境研究所，及日本宇宙航空研究开发机构利用温室气体观测卫星"伊吹"（GOSAT）获得的数据和晴天观测的数据分析，提供全球大气中二氧化碳和甲烷的气柱平均浓度（在垂直地表人的大气柱中，单位面积所含相关甲烷量与干燥空气量的体积比）的数据产品。采用由此获得的二氧化碳气柱平均浓度，用大气传输模型的反解分析（逆模型解析），来测算全球各区域二氧化碳的吸收和排出的净值情况（来自自然和人为的二氧化碳的净吸收排放）。

       日本GOSAT是世界上第一颗专门用于探测大气CO2的超光谱卫星。GOSAT的轨道高度为666km，每天绕地球14圈，回归周期为3天，其上搭载的TANSO-FST 传感器是一台迈克尔逊干涉仪，可获得3个短波红外范围的窄波段（0.76um、1.6 um和 2.0 um）和一个热红外宽波段（5.5—14.3 um）的吸收超光谱。TANSO-FST的瞬时视场为15.8 mrad，对应地表水平面高度上的天底“脚印”直径10.5 km。 TANSO-FST 获得的超光谱波谱数据经处理可获得 XCO2产品。

       GOSAT 短波红外 CO2二级产品是GOSAT单点观测的大气整层的 XCO2，它由 GOSAT 获取的3个短波红外吸收光谱采用最优估计的方法反演得到。GOSAT短波红外波谱经云滤除及其他预处理，获得可用于反演的无云吸收光谱，在获取先验知识基础上，采用最优估计方法反演大气 XCO2，最后经质量滤除，得到整层大气的XCO2产品。

       观测传感器是GOSAT卫星的核心部门，主要包括：傅里叶变换光谱仪（FTS）、云和气溶胶成像仪（CAI），FTS用于温室气体探测，CAI用于同步收集云和气溶胶信息。两者合称为TANSO（Thermal And Near-infrared Sensor for carbon Observation）

 

表2 TANSO-FTS传感器观测参数

波段	Band 1	Band 2	Band 3	Band 4
光谱范围（μm）	0.758-0.775	1.56-1.72	1.92-2.08	5.56-14.3
光谱分辨率（mm）	0.2
观测目标	O2	CO2、CH4、H2O	CO2、CH4、H2O、卷云	CO2、CH4、卷云
极化方式	P、S			无
信噪比	>300

 

表3 TANSO-CAI主要参数

波段	Band 1	Band 2	Band 3	Band 4
光谱范围（μm）	0.370-0.390	0.668-0.688	0.860-0.880	1.56-1.65
中心波长（μm）	0.380	0.674	0.870	1.6
观测目标	云层、气溶胶
观测幅宽（km）	1000			750
星下点空间分辨率（m）	500			1500

 

GOSAT卫星产品：

       JAXA负责将接收的原始数据（L0级数据）处理为L1级光谱产品后，由NIES负责开发数据处理算法、验证数据整理，并分发管理更高级别的数据产品；NOE负责推动数据产品的应用。按照数据处理过程，GOSAT产品可以分为以下几个级别：

       （1）L0级产品：地面接收站接收到的原始干涉图、相应的未定标图像数据级辅助数据。

       （2）FTS-L1A产品：包括原始干涉图、定标数据、时间记录信息

       传感器状态参数和尺度转换相关参数。

       （3）FTS-SWIR L1B产品：经过相位校正、傅里叶逆变换，并经过辐射定标、光谱定标、几何定位后的短波红外光谱数据。

       （4）FTS-TIR L1B产品：经过黑体辐射定标后的热红外光谱数据。

       （5）CAI L1B产品：经过辐射定标、几何校正后的光谱数据。

       （6）FTS-SWIR L2产品：根据CO2和CH4吸收光谱反演得到的CO2和CH4平均柱浓度。

       （7）FTS-TIR L2产品：利用FTS热红外波段反演得到的CO2和CH4垂直廓线资料。

       （8）CAI L2产品：云标示产品。

       （9）FTS L3产品：根据CO2和CH4浓度数据，经过克里金插值后得到的全球2.5°×2.5°月平均浓度分布数据。

       （10）CAI L3产品：包括全球辐射分布、全球反照率产品、NDVI、全球云及气溶胶属性产品。

       （11）L4A级产品：全球划分为64个区域，利用FTS-SWIR L2数据结合地表观测数据，经大气传输模型反演得到的CO2月平均通量产品。

       （12）L4B级产品：基于L4A产品得到的全球2.5°×2.5°，6h平均三维CO2浓度产品。

 

2.3. TANSAT卫星

       碳卫星（TANSAT）是由中国自主研制的首颗全球大气二氧化碳观测科学实验卫星。

       碳卫星总质量620千克，搭载一体化设计的两台科学载荷，分别是高光谱二氧化碳探测仪以及起辅助作用的多谱段云与气溶胶探测仪。

       TANSAT卫星主要有3种观测模式，分别是天底模式、耀斑模式和目标模式。探测仪器的视线指向当地的最低点（即天底观测模式，Nadir observation） 或者是闪烁的光点（即耀斑观测模式，Glint observation），还可以瞄准选定的地球表面校准和验证点（即目标观测模式，Target observation）。Nadir观测模式提供了最佳的水平空间分辨率，并有望在部分多云地区或地形上产生更多有用的 XCO2探测。Glint观测模式在黑暗、镜面表面有比较大的信噪比，预计在海洋上会产生更有用的探测结果。通常，碳卫星在Nadir观测模式和Glint观测模式之间交替进行。Target观测是在碳卫星验证点上进行的，并收集成千上万的观测数据，大量的测量减少了随机误差的影响，并提供了识别目标附近XCO2场空间变异性的信息。

       目前，碳卫星已经对外共享了经过定标后的L1B光谱数据集，所有产品文件都是以层次型科学数据格式HDF-5发布。这种格式有助于创建逻辑数据结构，通过将数据产品组织到文件夹和子文件夹中，每个文件对应一个轨道连续模式的数据集。

 

表4 中国碳卫星技术参数表

中国碳卫星技术参数
轨道类型	太阳同步轨道
轨道标称高度	712千米
轨道倾角	98.16º
轨道保持偏心率	≤0.002272
轨道周期	98.89分钟
升交点地方时	13:30
姿态稳定方式	三轴稳定
卫星发射重量	620千克
卫星平均功率	600瓦
卫星在轨飞行尺寸	1.50米×1.80米×1.85米 [6]
设计寿命	3年 [12]

 

载荷设备：

       1、高光谱温室气体探测仪

       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，高光谱与高空间分辨率大气二氧化碳探测仪(Atmospheric Carbon-dioxide Grating Spectrometer ACGS)：重约170kg，功率约为700w，其基于大气吸收池原理，利用对地球反射的近红外/短波红外太阳辐射对大气中二氧化碳的含量进行探测，获取高精度的大气吸收光谱。对吸收光谱的强弱进行严格定量测量，综合气压、温度等辅助信息并排除大气悬浮微粒等干扰因素，应用反演算法即可计算出卫星在观测路径上二氧化碳的柱浓度。通过对全球柱浓度的序列分析，并借助数据同化系统的一系列模型，可推演出全球二氧化碳的通量变化。本载荷采用大面积衍射光栅对吸收光谱进行细分，能够探测2.06μm、1.6μm、0.76μm 三个大气吸收光谱通道，最高分辨率达到0.04nm。

       探测仪的工作原理，是在可见光和近红外谱段，利用分子吸收谱线探测二氧化碳等温室气体浓度。高光谱二氧化碳探测仪设有3个通道，其中，在760纳米的O2-A通道的光谱分辨率最高可以达到0.04纳米，能够捕获植被日光诱导叶绿素荧光对Fe（758纳米）和KI（771纳米）两个太阳弗朗霍夫暗线的填充效应，从而不仅能对全球大气中二氧化碳浓度进行动态监测，还能高精度反演植被叶绿素荧光。卫星尺度叶绿素荧光能够精确估算全球植被光合生产力，结合同步反演的大气二氧化碳浓度数据，二者协同将能够极大提升全球碳源汇观测能力。

 

表5 高空间分辨率的高光谱温室气体探测仪参数表

光谱范围（nm）	通道数量	光谱分辨率（nm）	信噪比	监测对象
758-776	1024	0.044	360	O2含量（A带）
1594-1624	512	0.125	250	CO2含量（弱吸收带）
2041-2081	512	0.165	180	CO2含量（强吸收带）

 

2、云与气溶胶偏振成像仪

       碳卫星还搭载了一台多谱段的云与气溶胶偏振成像仪，成像仪可以测量云、大气颗粒物等辅助信息，为科学家精确反向推演二氧化碳浓度剔除干扰因素，还可以帮助气象学家提高天气预报的准确性，并为研究PM2.5等大气污染成因提供重要数据支撑。

       作为中国首颗碳卫星载荷，高光谱温室气体探测仪、云与气溶胶偏振成像仪为温室气体排放、碳核查等领域的研究提供基础数据，为节能减排等宏观决策提供数据支撑，增加了中国在国际碳排放方面的话语权。

 

表6 多谱段云与气溶胶偏振成像仪参数表

中心波长（nm）	光谱带宽（nm）	极化角度	空间分辨率（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 卫星遥感对双碳政策的技术支持

3.1. 热红外遥感数据支持

       热红外遥感是利用热红外波段研究地球物质特性的技术手段，可以获取地球表面温度，在城市热岛效应、林火监测、旱灾监测等领域有很好的应用价值。

 

表7 主要星载热红外传感器

传感器	卫星平台	热红外波段数	热红外光谱范围 （μm）	空间分辨率	宽幅
ASTER高级空间热辐射热反射探测器	EOS (美国)	5	8.125-8.475 8.475-8.825 8.925-9.275 10.25-10.95 10.95-11.65	90m	60kmx60km
AVHRR甚高分辨率辐射仪	NOAA (美国)	3	3.55-3.93 10.30-11.30 11.50-12.50	1.1km	2800km
MODIS中等高分辨率成像光谱辐射仪	EOS （美国）	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 （美国）	1	10.0-12.9 10.4-12.5	60m（重采样为30米） 120m	185kmx185km
IRS红外相机	HJ-1A/B (中国)	2	3.50 -3.90 10.5-12.5	150m 300m	720kmx720km
Landsat8 TIRS	Landsat （美国）	2	10.60-11.20 11.50-12.50	100（重采样为30米）	185kmx185km

 

       针对双碳政策，利用热红外遥感技术进行对地温度反演，对于监测全球气候变暖也被广泛的关注，近年来，与地表温度（LST）反演、大气辐射传输有关的应用需求增长较快，大气辐射传输的过程研究与定量化反演蓬勃发展，如大气辐射传输理论模型。

       此外，CO2浓度的时空分布梯度与地表碳通量呈相关关系，热红外波长大与4微米，大气散射辐射不仅是大气温度的函数，而且也是大气内部组成的函数。对于一个特定波长，吸收系数与大气组成、温度和压力有关。一般大气对热红外辐射的衰减主要是由气体分子的吸收和气体分子、气溶胶的散射所引起的，大气对热红外的吸收体主要是CO2、水汽和O3：

       O3吸收带为9.6微米，但于航空遥感而言，O3在低空分布较少，可以不予考虑；水在低空一般以气态形态存在，水蒸气在8.0-12.5微米为连续吸收带，H2O中心吸收带为6.3微米；CO2主要吸收带为4.3微米、15微米，在8.0-12.5微米无强吸收带，在9.4微米和10.4微米有弱吸收带。热红外探测的主要估算方法是通过已知大气温度廓线推算吸收气体浓度及吸收系数，一般来说，随着气体浓度的增大，相应的波段可探测到的大气层也越高。通过利用已知的温度廓线调整测量和模拟的辐射值，可估算吸收气体浓度。

       通过大气传输反演模型，可以估算与大气浓度分布相一致的碳通量的空间分布，在热红外波段，地表温度和大气辐射明显高于太阳辐射及地表和大气反射，但当波长小于3微米时，地球观测卫星仪器系统可以观测太阳辐射、地表反射以及大气散射的辐射。反射表现出能够反映辐射传输过程的一些波谱变化。所谓“大气窗口”波谱段，就是透过率较高，大气辐射随地表反射函数而变化的波段。在其他的波段，电磁波通过大气层时较多被吸收，测量结果是大气吸收物质数量的函数。高波谱分辨率观测技术可以识别不同气体的吸收线，从相对深度中获取不同大气分子的浓度数据。

 

图1 不同大气成分的大气窗口

 

3.2. “一张图”处理分析

       针对双碳政策，集合遥感、土地利用、社会经济地理数据以及基础地理信息等多源信息，共同构建统一的“双碳”时空监管平台，助力推进“双碳”与时空大数据结合，探索碳的时空分布特征，对碳排放量和空间分布、强度进行量化客观监测和溯源，实现资源开发利用的动态监管。

       首先，建立“双碳”专题数据库，统一管理多源异构数据，整合海量时空地理数据、遥感影像数据、三维动态建模数据以及各级各类图表数据规范化管理，满足各级各类数据管理需要。

       其次，“双碳”时空信息多维度分析，梳理数据与各业务流程之间的逻辑关系，加强空间分析能力，实现海量空间数据快速组织，实现检查入库、数据更新、编辑查询、统计输出、交换发布等一体化数据综合管理，增强快速响应多用户、大数据下的数据服务能力。

       最后，优化“双碳”时空大数据可视化展示，优化可视化渲染效果，二维地图与三维建模相结合，多维度展现“双碳”时空分布特点。

 

图2 中国大气XCO2平均浓度示意图

 

 

图3 2015年全球平均二氧化碳浓度（NASA）

 

3.3. CO2气体大气层的柱浓度监测

       CO2的柱平均干空气柱浓度摩尔分数 （简称CO2的平均柱浓度） 是将二氧化碳柱总量用同时从O2-A带反演得到的氧气柱总量归一化后得到的。因为 O2分子在空气中的变化十分微小，是一种被广泛认可的、可以准确计算空气柱含量的气体。所以近地面CO2平均柱浓度 （干燥空气下）可以表达为：

XCO2=CO2col/（O2col/O2mf）

       式中：XCO2表示CO2平均柱浓度（干燥空气下），单位为mg/L；CO2col表示反演的CO2的绝对柱总量，单位为mol/cm2；O2col表示反演的O2绝对柱总量，单位为mol/cm2；O2mf为转换常数，用于将O2的柱含量转化为干燥空气的柱含量，一般取值为0.2095。CO2绝对柱总量和O2绝对柱总量是分别反演得到的。

       通过嗅碳卫星，如TANSAT，结合气溶胶数据和HITRAN2012大气分子吸收谱数据库可以对CO2气体大气层的柱浓度进行反演估算。

 

图4 全球XCO2 数据时空尺度统合后的月均值