第一(yī)章(zhāng) 雙碳政策背景

1.1. 現狀分析

       自(zì)工業革命以來，由于化石燃料的(de)燃燒、工業排放等人類活動的(de)快速增加，全球大氣 CO2 濃度逐年(nián)以約 2×10－6的(de)增速升高(gāo)，已成為(wèi)導緻全球變暖的(de)重要原因。近年(nián)來，為(wèi)減緩大氣 CO2 濃度的(de)持續升高(gāo)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(de)同時，我國(guó)加快推進綠色低(dī)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(hé)能源消耗問題，我國(guó)積極履行國(guó)際職責，先後簽訂《聯合國(guó)氣候變化框架公約》、《京都議定書》，并在2015年(nián)巴黎氣候大會上提出“二氧化碳排放2030年(nián)左後達到峰值并争取盡早達峰，單位國(guó)內(nèi)生産總值二氧化碳排放比2005年(nián)下降60%-65%。” 

       但我國(guó)産業結構、能源結構轉型任務仍任重而道(dào)遠。

       有研究顯示，能源消費是引起碳排放增長(cháng)的(de)主要原因，且兩者之間存在着長(cháng)期均衡的(de)關系，即我國(guó)能源消費每增加1%，相應的(de)碳排放增加0.78%；有統計表明，我國(guó)是全球碳排放量最高(gāo)的(de)國(guó)家，碳排放量占全球的(de)近三分之一(yī)。2019年(nián)，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、天然氣排放比重分别為(wèi)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别為(wèi)47%、36%，其中工業領域鋼鐵、建材和(hé)化工三大高(gāo)耗能産業占比分别達到17%、8%和(hé)6%，除此之外，交通運輸、建築領域碳排放占能源活動碳排放比重分别為(wèi)9%、8%。

1.2. 政策解析

       為(wèi)遏制全球變暖的(de)嚴峻趨勢，作為(wèi)高(gāo)速發展的(de)碳排放大國(guó)，2020年(nián)9月22日第七十五屆聯合國(guó)大會一(yī)般性辯論會上，以及2020年(nián)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：中國(guó)提高(gāo)國(guó)家自(zì)主貢獻力度，力争2030年(nián)前碳排放達到峰值，努力争取2060年(nián)前實現碳中和(hé)；到2030年(nián)，中國(guó)單位GDP二氧化碳排放将比2005年(nián)下降65%以上，非化石能源占一(yī)次能源消費比重将達到25%左右。

       目前已有127個國(guó)家承諾碳中和(hé)，這些國(guó)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)美國(guó)都表示在2050年(nián)實現碳中和(hé)，英國(guó)、日本、韓國(guó)等地(dì)區紛紛提出“綠色新政”，拜登将氣候變化置于內(nèi)外政策的(de)優先位置，更多發展中國(guó)家明确低(dī)碳轉型目标。“綠色低(dī)碳”将成為(wèi)未來很長(cháng)一(yī)段時間內(nèi)的(de)各國(guó)關鍵詞。

       碳排放峰值是指一(yī)個經濟體（地(dì)區）二氧化碳的(de)最大年(nián)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(dī)直至負增長(cháng)。碳中和(hé)是指在一(yī)定時間內(nèi)直接或間接産生的(de)溫室氣體排放總量，通過植樹造林、節能減排等形式，以抵消自(zì)身産生的(de)二氧化碳排放量，實現溫室氣體“淨零排放”。核心是溫室氣體排放量的(de)大幅降低(dī)，最終達到一(yī)個組織的(de)一(yī)年(nián)內(nèi)所有溫室氣體排放量與溫室氣體清除量“收支平衡”。

       作為(wèi)世界上最大的(de)發展中國(guó)家，中國(guó)“3060”的(de)決心要求僅用10年(nián)達到峰值、30年(nián)降至零排放，中和(hé)斜率會遠陡峭于歐美，減排速度要超出歐盟一(yī)倍，未來40年(nián)的(de)碳中和(hé)任務時間緊、任務重。

       碳達峰、碳中和(hé)作為(wèi)具有時間緊迫性、階段性執行的(de)國(guó)家戰略目标，同時也是排放與吸收的(de)收支中和(hé)過程，量化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)企業作為(wèi)實現碳中和(hé)的(de)中堅力量，也需要監管和(hé)自(zì)我管理(lǐ)、探索優化發展的(de)能力和(hé)工具。

       當前，我國(guó)明确了“雙碳”（碳達峰、碳中和(hé)）的(de)總路徑：力争通過對能源、工業、交通、建築等重點行業提高(gāo)能源使用效率和(hé)産業結構調整，推進減排，在10年(nián)之內(nèi)，也就是2030年(nián)使碳排放達到峰值；此後，通過能源系統轉型和(hé)碳封存，用30年(nián)時間，在2060年(nián)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、團體或個人測算在一(yī)定時間內(nèi)，直接或間接産生的(de)溫室氣體排放，由植樹造林、節能減排等形式進行抵消，實現零碳排放。依照這樣的(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(dī)碳産業體系；（2）碳吸收：維護自(zì)然資源和(hé)生态環境，植樹造林，吸收碳排放。

 

第二章(zhāng) “嗅碳”衛星

       “嗅碳”衛星是人造地(dì)球衛星中專門用于對地(dì)球二氧化碳濃度測量的(de)衛星，“嗅碳”衛星對二氧化碳濃度的(de)測量精度能夠達到百萬分之一(yī)，是人們掌握高(gāo)精度二氧化碳測量數據的(de)得力“幫手”。 目前僅有３顆“嗅碳”衛星在太空中工作，分别是專門測量大氣中二氧化碳濃度的(de)美國(guó)“軌道(dào)碳觀測者２号”、觀測大氣中二氧化碳和(hé)甲烷等濃度的(de)日本“呼吸”号以及我國(guó)新發射的(de)首顆碳衛星。

2.1. OCO-2衛星

       軌道(dào)碳觀測衛星-2(OCO-2)是美國(guó)航空航天局(NASA)第一(yī)顆研究二氧化碳排放的(de)衛星。NASA希望通過OCO-2觀測了解陸地(dì)與海洋吸收之外的(de)CO2在全球大氣中的(de)不均勻分布，對碳排放、碳循環進行精确地(dì)測量，提高(gāo)對溫室氣體的(de)自(zì)然來源與人為(wèi)排放的(de)理(lǐ)解，改善全球碳循環模型，更好地(dì)表征大氣中CO2的(de)變化，進而更準确地(dì)預測全球氣候變化。

       OCO-2将均勻采樣地(dì)球陸地(dì)和(hé)海洋上空的(de)大氣，在為(wèi)期2年(nián)時間裏對地(dì)球受到太陽照射的(de)一(yī)半區域每天進行50萬次采樣，以确定的(de)精度、分辨率和(hé)覆蓋率提供區域地(dì)理(lǐ)分布和(hé)季節變化的(de)完整圖像。OCO-2儀器的(de)3個高(gāo)分辨率光譜儀将對太陽進行光學(xué)譜監測，聚焦到不同的(de)色帶範圍，分析測定特定顔色被CO2和(hé)氧分子(zǐ)吸收的(de)情況。這些特定顔色被吸收的(de)光量與大氣中CO2濃度成正比，研究人員将在計算模型中引入這些新數據以建立量化全球的(de)碳源與碳彙。

       OCO-2光譜儀的(de)設計目标是測量太陽光經過地(dì)表反射之後，太陽光将兩次穿過地(dì)球大氣層。大氣層中的(de)CO2分子(zǐ)和(hé)O2分子(zǐ)具有非常特殊的(de)光譜特性，因此，當光線抵達OCO-2衛星有效載荷時，太陽光将在這些特殊譜段上損失相應的(de)能量，OCO-2的(de)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(de)CO2和(hé)O2的(de)吸收能量，從而測量出當地(dì)大氣中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(shì)軸，高(gāo)分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
分析能量	> 20,000
光學(xué)系統快速參數	f/1.8，高(gāo)信噪比
掃描幅寬（穿軌向視(shì)場角14 mrad）	-星下點幅寬10.6km（由705km軌道(dào)高(gāo)度和(hé)開縫寬度決定）
空間分辨率	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溫室氣體觀測衛星"伊吹"（GOSAT）獲得的(de)數據和(hé)晴天觀測的(de)數據分析，提供全球大氣中二氧化碳和(hé)甲烷的(de)氣柱平均濃度（在垂直地(dì)表人的(de)大氣柱中，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。采用由此獲得的(de)二氧化碳氣柱平均濃度，用大氣傳輸模型的(de)反解分析（逆模型解析），來測算全球各區域二氧化碳的(de)吸收和(hé)排出的(de)淨值情況（來自(zì)自(zì)然和(hé)人為(wèi)的(de)二氧化碳的(de)淨吸收排放）。

       日本GOSAT是世界上第一(yī)顆專門用于探測大氣CO2的(de)超光譜衛星。GOSAT的(de)軌道(dào)高(gāo)度為(wèi)666km，每天繞地(dì)球14圈，回歸周期為(wèi)3天，其上搭載的(de)TANSO-FST 傳感器是一(yī)台邁克爾遜幹涉儀，可(kě)獲得3個短(duǎn)波紅(hóng)外範圍的(de)窄波段（0.76um、1.6 um和(hé) 2.0 um）和(hé)一(yī)個熱紅(hóng)外寬波段（5.5—14.3 um）的(de)吸收超光譜。TANSO-FST的(de)瞬時視(shì)場為(wèi)15.8 mrad，對應地(dì)表水平面高(gāo)度上的(de)天底“腳印”直徑10.5 km。 TANSO-FST 獲得的(de)超光譜波譜數據經處理(lǐ)可(kě)獲得 XCO2産品。

       GOSAT 短(duǎn)波紅(hóng)外 CO2二級産品是GOSAT單點觀測的(de)大氣整層的(de) XCO2，它由 GOSAT 獲取的(de)3個短(duǎn)波紅(hóng)外吸收光譜采用最優估計的(de)方法反演得到。GOSAT短(duǎn)波紅(hóng)外波譜經雲濾除及其他預處理(lǐ)，獲得可(kě)用于反演的(de)無雲吸收光譜，在獲取先驗知識基礎上，采用最優估計方法反演大氣 XCO2，最後經質量濾除，得到整層大氣的(de)XCO2産品。

       觀測傳感器是GOSAT衛星的(de)核心部門，主要包括：傅裏葉變換光譜儀（FTS）、雲和(hé)氣溶膠成像儀（CAI），FTS用于溫室氣體探測，CAI用于同步收集雲和(hé)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)為(wèi)L1級光譜産品後，由NIES負責開發數據處理(lǐ)算法、驗證數據整理(lǐ)，并分發管理(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。按照數據處理(lǐ)過程，GOSAT産品可(kě)以分為(wèi)以下幾個級别：

       （1）L0級産品：地(dì)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、光譜定标、幾何定位後的(de)短(duǎn)波紅(hóng)外光譜數據。

       （4）FTS-TIR L1B産品：經過黑體輻射定标後的(de)熱紅(hóng)外光譜數據。

       （5）CAI L1B産品：經過輻射定标、幾何校正後的(de)光譜數據。

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

       （7）FTS-TIR L2産品：利用FTS熱紅(hóng)外波段反演得到的(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到的(de)全球2.5°×2.5°月平均濃度分布數據。

       （10）CAI L3産品：包括全球輻射分布、全球反照率産品、NDVI、全球雲及氣溶膠屬性産品。

       （11）L4A級産品：全球劃分為(wèi)64個區域，利用FTS-SWIR L2數據結合地(dì)表觀測數據，經大氣傳輸模型反演得到的(de)CO2月平均通量産品。

       （12）L4B級産品：基于L4A産品得到的(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(guó)自(zì)主研制的(de)首顆全球大氣二氧化碳觀測科學(xué)實驗衛星。

       碳衛星總質量620千克，搭載一(yī)體化設計的(de)兩台科學(xué)載荷，分别是高(gāo)光譜二氧化碳探測儀以及起輔助作用的(de)多譜段雲與氣溶膠探測儀。

       TANSAT衛星主要有3種觀測模式，分别是天底模式、耀斑模式和(hé)目标模式。探測儀器的(de)視(shì)線指向當地(dì)的(de)最低(dī)點（即天底觀測模式，Nadir observation） 或者是閃爍的(de)光點（即耀斑觀測模式，Glint observation），還可(kě)以瞄準選定的(de)地(dì)球表面校準和(hé)驗證點（即目标觀測模式，Target observation）。Nadir觀測模式提供了最佳的(de)水平空間分辨率，并有望在部分多雲地(dì)區或地(dì)形上産生更多有用的(de) XCO2探測。Glint觀測模式在黑暗、鏡面表面有比較大的(de)信噪比，預計在海洋上會産生更有用的(de)探測結果。通常，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，大量的(de)測量減少了随機誤差的(de)影響，并提供了識别目标附近XCO2場空間變異性的(de)信息。

       目前，碳衛星已經對外共享了經過定标後的(de)L1B光譜數據集，所有産品文件都是以層次型科學(xué)數據格式HDF-5發布。這種格式有助于創建邏輯數據結構，通過将數據産品組織到文件夾和(hé)子(zǐ)文件夾中，每個文件對應一(yī)個軌道(dào)連續模式的(de)數據集。

 

表4 中國(guó)碳衛星技術參數表

中國(guó)碳衛星技術參數
軌道(dào)類型	太陽同步軌道(dào)
軌道(dào)标稱高(gāo)度	712千米
軌道(dào)傾角	98.16º
軌道(dào)保持偏心率	≤0.002272
軌道(dào)周期	98.89分鍾
升交點地(dì)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(fēi)行尺寸	1.50米×1.80米×1.85米 [6]
設計壽命	3年(nián) [12]

 

載荷設備：

       1、高(gāo)光譜溫室氣體探測儀

       碳衛星搭載了一(yī)台高(gāo)空間分辨率的(de)高(gāo)光譜溫室氣體探測儀，高(gāo)光譜與高(gāo)空間分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)，利用對地(dì)球反射的(de)近紅(hóng)外/短(duǎn)波紅(hóng)外太陽輻射對大氣中二氧化碳的(de)含量進行探測，獲取高(gāo)精度的(de)大氣吸收光譜。對吸收光譜的(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氣懸浮微粒等幹擾因素，應用反演算法即可(kě)計算出衛星在觀測路徑上二氧化碳的(de)柱濃度。通過對全球柱濃度的(de)序列分析，并借助數據同化系統的(de)一(yī)系列模型，可(kě)推演出全球二氧化碳的(de)通量變化。本載荷采用大面積衍射光栅對吸收光譜進行細分，能夠探測2.06μm、1.6μm、0.76μm 三個大氣吸收光譜通道(dào)，最高(gāo)分辨率達到0.04nm。

       探測儀的(de)工作原理(lǐ)，是在可(kě)見光和(hé)近紅(hóng)外譜段，利用分子(zǐ)吸收譜線探測二氧化碳等溫室氣體濃度。高(gāo)光譜二氧化碳探測儀設有3個通道(dào)，其中，在760納米的(de)O2-A通道(dào)的(de)光譜分辨率最高(gāo)可(kě)以達到0.04納米，能夠捕獲植被日光誘導葉綠素熒光對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氣中二氧化碳濃度進行動态監測，還能高(gāo)精度反演植被葉綠素熒光。衛星尺度葉綠素熒光能夠精确估算全球植被光合生産力，結合同步反演的(de)大氣二氧化碳濃度數據，二者協同将能夠極大提升全球碳源彙觀測能力。

 

表5 高(gāo)空間分辨率的(de)高(gāo)光譜溫室氣體探測儀參數表

光譜範圍（nm）	通道(dào)數量	光譜分辨率（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(yī)台多譜段的(de)雲與氣溶膠偏振成像儀，成像儀可(kě)以測量雲、大氣顆粒物等輔助信息，為(wèi)科學(xué)家精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(gāo)天氣預報的(de)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。

       作為(wèi)中國(guó)首顆碳衛星載荷，高(gāo)光譜溫室氣體探測儀、雲與氣溶膠偏振成像儀為(wèi)溫室氣體排放、碳核查等領域的(de)研究提供基礎數據，為(wèi)節能減排等宏觀決策提供數據支撐，增加了中國(guó)在國(guó)際碳排放方面的(de)話語權。

 

表6 多譜段雲與氣溶膠偏振成像儀參數表

中心波長(cháng)（nm）	光譜帶寬（nm）	極化角度	空間分辨率（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(zhāng) 衛星遙感對雙碳政策的(de)技術支持

3.1. 熱紅(hóng)外遙感數據支持

       熱紅(hóng)外遙感是利用熱紅(hóng)外波段研究地(dì)球物質特性的(de)技術手段，可(kě)以獲取地(dì)球表面溫度，在城市熱島效應、林火監測、旱災監測等領域有很好的(de)應用價值。

 

表7 主要星載熱紅(hóng)外傳感器

傳感器	衛星平台	熱紅(hóng)外波段數	熱紅(hóng)外光譜範圍 （μm）	空間分辨率	寬幅
ASTER高(gāo)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(gāo)分辨率輻射儀	NOAA (美國(guó))	3	3.55-3.93 10.30-11.30 11.50-12.50	1.1km	2800km
MODIS中等高(gāo)分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(hóng)外相機	HJ-1A/B (中國(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，利用熱紅(hóng)外遙感技術進行對地(dì)溫度反演，對于監測全球氣候變暖也被廣泛的(de)關注，近年(nián)來，與地(dì)表溫度（LST）反演、大氣輻射傳輸有關的(de)應用需求增長(cháng)較快，大氣輻射傳輸的(de)過程研究與定量化反演蓬勃發展，如(rú)大氣輻射傳輸理(lǐ)論模型。

       此外，CO2濃度的(de)時空分布梯度與地(dì)表碳通量呈相關關系，熱紅(hóng)外波長(cháng)大與4微米，大氣散射輻射不僅是大氣溫度的(de)函數，而且也是大氣內(nèi)部組成的(de)函數。對于一(yī)個特定波長(cháng)，吸收系數與大氣組成、溫度和(hé)壓力有關。一(yī)般大氣對熱紅(hóng)外輻射的(de)衰減主要是由氣體分子(zǐ)的(de)吸收和(hé)氣體分子(zǐ)、氣溶膠的(de)散射所引起的(de)，大氣對熱紅(hóng)外的(de)吸收體主要是CO2、水汽和(hé)O3：

       O3吸收帶為(wèi)9.6微米，但于航空遙感而言，O3在低(dī)空分布較少，可(kě)以不予考慮；水在低(dī)空一(yī)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(hé)10.4微米有弱吸收帶。熱紅(hóng)外探測的(de)主要估算方法是通過已知大氣溫度廓線推算吸收氣體濃度及吸收系數，一(yī)般來說，随着氣體濃度的(de)增大，相應的(de)波段可(kě)探測到的(de)大氣層也越高(gāo)。通過利用已知的(de)溫度廓線調整測量和(hé)模拟的(de)輻射值，可(kě)估算吸收氣體濃度。

       通過大氣傳輸反演模型，可(kě)以估算與大氣濃度分布相一(yī)緻的(de)碳通量的(de)空間分布，在熱紅(hóng)外波段，地(dì)表溫度和(hé)大氣輻射明顯高(gāo)于太陽輻射及地(dì)表和(hé)大氣反射，但當波長(cháng)小于3微米時，地(dì)球觀測衛星儀器系統可(kě)以觀測太陽輻射、地(dì)表反射以及大氣散射的(de)輻射。反射表現出能夠反映輻射傳輸過程的(de)一(yī)些波譜變化。所謂“大氣窗口”波譜段，就是透過率較高(gāo)，大氣輻射随地(dì)表反射函數而變化的(de)波段。在其他的(de)波段，電磁波通過大氣層時較多被吸收，測量結果是大氣吸收物質數量的(de)函數。高(gāo)波譜分辨率觀測技術可(kě)以識别不同氣體的(de)吸收線，從相對深度中獲取不同大氣分子(zǐ)的(de)濃度數據。

 

圖1 不同大氣成分的(de)大氣窗口

 

3.2. “一(yī)張圖”處理(lǐ)分析

       針對雙碳政策，集合遙感、土地(dì)利用、社會經濟地(dì)理(lǐ)數據以及基礎地(dì)理(lǐ)信息等多源信息，共同構建統一(yī)的(de)“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(de)時空分布特征，對碳排放量和(hé)空間分布、強度進行量化客觀監測和(hé)溯源，實現資源開發利用的(de)動态監管。

       首先，建立“雙碳”專題數據庫，統一(yī)管理(lǐ)多源異構數據，整合海量時空地(dì)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”時空信息多維度分析，梳理(lǐ)數據與各業務流程之間的(de)邏輯關系，加強空間分析能力，實現海量空間數據快速組織，實現檢查入庫、數據更新、編輯查詢、統計輸出、交換發布等一(yī)體化數據綜合管理(lǐ)，增強快速響應多用戶、大數據下的(de)數據服務能力。

       最後，優化“雙碳”時空大數據可(kě)視(shì)化展示，優化可(kě)視(shì)化渲染效果，二維地(dì)圖與三維建模相結合，多維度展現“雙碳”時空分布特點。

 

圖2 中國(guó)大氣XCO2平均濃度示意圖

 

 

圖3 2015年(nián)全球平均二氧化碳濃度（NASA）

 

3.3. CO2氣體大氣層的(de)柱濃度監測

       CO2的(de)柱平均幹空氣柱濃度摩爾分數 （簡稱CO2的(de)平均柱濃度） 是将二氧化碳柱總量用同時從O2-A帶反演得到的(de)氧氣柱總量歸一(yī)化後得到的(de)。因為(wèi) O2分子(zǐ)在空氣中的(de)變化十分微小，是一(yī)種被廣泛認可(kě)的(de)、可(kě)以準确計算空氣柱含量的(de)氣體。所以近地(dì)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：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(de)CO2的(de)絕對柱總量，單位為(wèi)mol/cm2；O2col表示反演的(de)O2絕對柱總量，單位為(wèi)mol/cm2；O2mf為(wèi)轉換常數，用于将O2的(de)柱含量轉化為(wèi)幹燥空氣的(de)柱含量，一(yī)般取值為(wèi)0.2095。CO2絕對柱總量和(hé)O2絕對柱總量是分别反演得到的(de)。

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

 

圖4 全球XCO2 數據時空尺度統合後的(de)月均值