文章转载自“格致论道讲坛”
希望在下一个阶段，
面对非常激烈的国际竞争，
我们中国科学家能够发挥集体智慧，
将从上到下和从下到上充分地结合起来，
实现我们“双碳”战略目标。
刘毅·中国科学院大气物理研究所研究员
格致论道第83期 | 2022年6月25日 北京
很高兴来到格致论道讲坛，今天我分享的题目是《碳卫星：洞悉碳足迹》，将为大家介绍卫星究竟是如何实现洞察碳足迹这个目标的。
▲ 数据来源：大气所海洋温度数据、NASA/GISS地表温度数据、Rignot et al. 2019冰盖数据、美国国家冰雪中心海冰数据
这张图中有四条曲线：第一条曲线展现了过去100多年全球地表温度的变化，第二条给出了海洋热量的变动情况。大家看到它们都是持续上升的，也符合现有的感受与发现。另外两条蓝色曲线呈下降趋势，它们反映了北极海冰和格陵兰冰盖变化，说明海冰和冰盖的范围和质量都在减少。这样的变化是由人类活动导致的：二氧化碳是其中重要的加热源，全球变暖已经成为不可回避的事实。
人类从何时开始认识到二氧化碳的加热作用？大家可以看到，1861年是一个关键节点，丁铎尔发现二氧化碳是地球气候变化的关键因素。1975年，真锅淑郎提出全球首个三维大气环流模式，还准确计算了大气二氧化碳含量翻倍将带来的全球温度变化，他也因此荣获2021年度诺贝尔物理学奖。
结合曲线不难看出，伴随着二氧化碳排放量的快速上升，科学界从1958年开始进行二氧化碳的地面观测。再往后看，日本在1996年向太空发射了第一个二氧化碳探测器，紧接着欧洲在2002年发射了短波红外的探测器——这两个探测器就开启了人类用卫星监测碳的新路径。
为更精确地监测全球二氧化碳空间分布情况，2009年，日本发射了温室气体观测卫星“呼吸”号（GOSAT），2014年美国发射了轨道碳观测者2号（OCO-2）。2016年，我国自主研发的碳卫星（TanSat）也成功登天运行。这三颗卫星开始了定量的碳监测。
后面的曲线就呈现出了未来不同的情景。这就关系到人类如何把温度升高约束到2度以内的目标，而二氧化碳的监测就在其中起着非常重要的作用。
大家知道，所谓的碳中和要从碳的排放端和吸收端两个方面考虑。这里主要强调人为排放，但还有很大一部分的自然排放和吸收也会参加到最后的平衡里去。我在这儿非常自豪地跟大家分享两位来自咱们中科院大气物理研究所的大师，也都是国家最高科学技术奖获得者的观点。
▲ 叶笃正 世界观：人类有序适应
曾庆存 方法论：自然控制论
一位是叶笃正先生，他在20多年前就提出了“人类要有序适应达到碳中和的效果”的世界观。另一位是曾庆存先生，他在1990年提出了“自然控制论”，也就是说我们人类要通过约束自己的行为来达到人与自然的平衡。如何约束呢？曾先生给出了方法论。从这个角度来讲，人类要适应自己的行为，以此跟自然达到平衡。这需要我们科学界的不断努力。
碳排放的计算方法
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全球碳的产生端（排放）到消纳端（吸收）其实是不同年代的结果。从排放端来看，化石燃料基本上占大头，有80%多；还有14%是土地利用，比如从森林转成农田。吸收端有两大块，一块是海洋，另一块是陆地生态系统，这两部分“吃”掉了大概50%左右的人类碳排放。
▲ 2010-2019年，全球碳收支（GCP,2020）
那么还有大约46%左右的碳留存在大气中，我们科学界希望把这部分降下来。但是降下来的前提是进行观测评估，你得定量计算这部分到底来自于哪部分的排放。所以这就涉及到IPCC（联合国政府间气候变化专门委员会）计算碳排放的方法学定义——清单法，简单来说就是自下而上的方法。
▲ 左：自下而上
右：自上而下
如左图所示，我们可以统计每个工厂消耗了多少煤、多少电，比较精确地计算出二氧化碳的排放量；也可以通过树的生长计算碳吸收。在一个小的区域，这个数字可以计算得非常准确。但是大家可以想象，如果把北京市全域的树都算在内，测准的可能性就非常小，全球范围自然也有非常大的难度。
另外一个就是今天要给大家分享的自上而下的方法。我们如何利用快速发展的卫星技术，对自下而上的清单法进行辅助或者补充。我们知道低轨卫星一百零几分钟绕地球1圈，一天有15到16圈；而且它的探测器是唯一的，可以连续几年观测。所以就形成了全球覆盖、均一、不确定性可以计算的优势。由此，自上而下和自下而上能够形成互补和校验。
从碳监测评估的需求端来看，从省、市、热点到一个工业区的碳评估，包括我国碳汇能力的评估，都需要从整体解决。
另外一方面，从IPCC方法学角度，我们要把地球升温限制在2度的范围内，但人类的地球就这么大、碳排放的空间就这么多，怎么进行各国分配？它涉及到减排的贡献、资金的投入、碳汇方面等。这里有一个概念叫全球盘点，它是一个世界的博弈，而盘点的核心手段就是卫星监测。所以这是一个高科技的问题。
▲ 科学研究
前面提到，从方法学角度来看，碳通量跟气候变化、海洋、大气生态系统是高度耦合在一起的，因此如何解耦面临着非常大的科学问题。
这三个方面同时给全球碳监测、特别是卫星监测提出了需求，所以在IPCC2019的修正版里，就提出了“用大气浓度测量辅助清单验证”的标准。实际这个方法在2015年的巴黎气候大会上就提出了，是衡量国家自主贡献（National Determined Contribution）的一个有效手段。
TanSAT：中国的第一颗碳卫星
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欧洲、美国、日本都在积极加入到行动中，我们中国也不甘落后。
▲ 左：日本温室气体观测卫星（GOSAT）
右：美国轨道碳观测者2号（OCO-2）
左边这颗卫星就是2009年发射升空的GOSAT。前边也提到，它是由日本从1996年第一颗试验卫星发展而来的。这颗卫星非常成功，到现在还在连续观测12年。后文的应用部分将提到中国碳汇和全球甲烷排放，所运用的数据就是以这颗卫星为主。
右边这颗叫OCO-2，是美国2014年发射的卫星。为什么叫“2”呢？因为它是该系列的第二颗卫星。在美日竞争中，第一颗卫星（OCO）与GOSAT在2009年前后脚发射，但是发射失败了。
▲ 中国碳卫星（TanSAT）
我国也高度支持卫星事业的发展。2010年前后，科技部及时跟踪日美卫星进展，进行了一年多的论证，在2011年启动了中国的第一颗碳卫星——TanSAT，并于2016年年底发射。我们团队非常幸运，全程参与了这个卫星的设计、研制、发射和数据应用，观测二氧化碳的浓度并进行通量计算。今天我们重点跟大家分享一下。
卫星主要有这几个目标：第一个是“看得清”，它的含义就是从多种大气成分中识别出二氧化碳。我们知道，卫星不仅能够监测大气中的二氧化碳，也能监测其他物质，如PM2.5、臭氧、云、气溶胶、PM2.5等，如何准确反演相应的信息？太阳光通过大气之后，二氧化碳会留下吸收的信息，就可以把它看清了。第二个是要“看准”，第三个还要“看全”。“全”有两个方向，一是看的周期长,二是尽量提高卫星观测的覆盖范围。
二氧化碳监测的最大难点在哪呢？由于二氧化碳是种惰性或者说比较稳定的气体，从地面到20公里的上空，它的浓度分布几乎都是400多ppm（百万分之一），所以卫星观测到的是一整个柱的浓度。而二氧化碳的源和汇（排放和吸收）都在地面，所以地面的变化非常大，但是平均到了柱里面，这种变化就相对很小了，也就在2%左右。在这种情况下，我们对卫星的监测精度提出了1-2个ppm的要求。相对现在410个ppm的状况，0.5%的精度，这是一个非常大的挑战。
▲ 上：观测光谱
下：模拟光谱
为了克服这个挑战，我们对卫星的分光能力提出了极高要求。这张图就从卫星学的角度给出了解释。我们实际上观测到的光谱有三个段，每个段代表着卫星的一个通道。注意，通道的宽度是多少？30到40个纳米。大家可以想象，这是非常非常小的范围，里面还有非常精细的二氧化碳吸收的信息。如果我要把吸收信息捕获出来，光谱分辨率就要在0.15纳米左右，所以这对工程和科学都是巨大的挑战。
我们同时高精度地观测二氧化碳的强吸收带、弱吸收带，再经过反演计算，就可以得到一个柱的浓度，这个浓度可以进行全球标准的验证。
有了浓度下一步要干什么？进行排放通量计算。其中浓度要高精度地剔除云、气溶胶的影响，也是一项重大的挑战。
如何通过浓度来进行源汇的计算？这张图是非洲大火的示意图。大家可以形象地看到，由于火形成了烟雾，烟雾弥散到全球。我们通过卫星全球观测的优势，就可以准确地观测、计算浓度。
▲ 碳源汇的大气反演计算方法
浓度的变化等于大气输送过程加上源汇。我们把大气的输送过程用精确的输送模型计算出来之后，剩下就可以间接推出源汇的变化。
这种源汇的变化不仅是生态系统的，还有人为排放的。只要我有足够的浓度观测数据，就可以用一个统一的方法反演出生态系统吸收、城市人为排放、海洋的吸收等等。所以这是一个非常巨大的方法学优势。
▲ 自主研发中科院大气所观测模拟与反演系统（IAPCAS）
由于我们团队获得了科技部和科学院碳先导专项的支持，经过十年发展，建立了一套叫IAPCAS的模拟反演系统。在中国碳卫星发射的半年之内，它就拿出了第一版数据。2017年11月，我们还参与了国际对地观测组织（GEO）国际会议进行数据共享，在国际上形成了非常好的影响。这里面包括我们对气溶胶、卷云的处理，一些科技的突破形成了高浓度的监测。
美国、日本和中国都具备碳监测能力，如何评价卫星是否达到了某一个精度？全世界有一个公认的验证数据，有一个观测网和数据库。我们拿出自己的卫星数据，经过比对，我们的精度达到了1.47，与同时期的GOSAT、OCO-2处于相同精度级别。
发现我国被低估的碳汇能力
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加上前面提到的源汇计算方法，我们就可以把碳卫星监测用到中国来。下一步我给大家介绍一下，到底怎样去洞察这个变化。
▲ Thompson et al., Nature communication（2016）
图片依次为：日本国立环境研究所、法国气候与环境科学实验室、荷兰瓦赫宁根大学、日本海洋地球科技署、澳大利亚英联邦科学和工业研究组织、日本气象厅、俄罗斯中央高空气象台的计算结果
关于生态系统，前面朴世龙院士给了非常好的铺垫（中国的陆地生态系统，到底能吸收多少二氧化碳？| 朴世龙院士），自下而上的方法也有一个比较好的计算结果。大家看2016年《自然·通讯》（Nature communication）上的这七幅图，它们呈现了国际顶尖的七个团队对东亚地区进行的碳汇计算。结算结果从0.1到11亿吨，这个变化范围非常大，也说明自上而下的计算方法还有很大的提升空间。
针对这个巨大的变化范围，我们应该如何发挥卫星的作用来结合地面观测的结果？下面这张图就给出了答案。
▲ 中国陆地生态系统碳汇分布
我们用国际上通用的模型方法，增加地面观测数据，包括气象局6个地面站的数据还有香港、西伯利亚的数据，制成了这副中国陆地生态系统碳汇分布图。图中蓝色表示碳汇的强度；红色就表示碳源的强度。大家看右下角的这幅图：它表明我们中国的西南地区有被低估的巨大碳汇。大家知道我们植树造林有很大的国家自主贡献，特别是西南地区有很多快速生长的桉树，它们在很短时间内就被收割了，作为木材出口。但是在自下而上的方法学里，它是5年或者10年一计算，就有可能低估了。
▲ 空间分布一致，且强碳汇分布更广
我们又利用了前面介绍的OCO-2，它有3-4年的数据，GOSAT有10年数据。我们把卫星的数据输入到系统里，图c就是用地面浓度得到的结果。根据日本和美国的卫星，不管从空间分布、季节变化还是最后的数值上看，都证明了中国确实存在比较大的被低估的陆地生态系统碳汇。
▲ 季节变化趋势一致，且夏季碳汇更强
大家注意到这张图上蓝线往下的这个尖角，它就表示夏季卫星观测到更强的吸收，说明中国夏季的碳汇应该更大。
这就通过卫星间接证明了我们中国的生态系统在过去10年中有比较大的固碳潜力。
这项成果在《自然》发表之后，也在中央电视台和其他媒体中引起了非常强烈的反响，“我国碳卫星计算的全球碳通量”也进入了热搜榜等。说明碳卫星还是得到了非常高的关注。
甲烷，未来卫星监测的新方向
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未来我们要再做什么？以最近比较热的甲烷为例。
甲烷为什么“热”？它有一个主要的特点——寿命是二氧化碳的1/10，但在百年尺度上，甲烷产生热量的效能是二氧化碳的28倍。如果你考虑到10年、20年，它就是二氧化碳的几十倍。为什么？因为它的寿命比较短，但浓度比二氧化碳浓度要低。甲烷大概低于1个PPM，二氧化碳现在应该是400多PPM。
美国重回气候舞台之后，抓的第一个热点就是甲烷？总统气候特使在访华的时候，就提出了用卫星辅助“监测”中国排放。在2021年9月的格拉斯哥气候大会上，美国和欧盟共同发起了一项甲烷减排的行动，90多个国家参加其中，计划到2030年减少30%的排放量。我们中国没有参加。但是紧接着会后，中国和美国达成了强化气候行动联合宣言，承诺解决甲烷排放问题。
▲ 全球及中国、美国甲烷排放
中国为什么没有参加“全球甲烷承诺”？我们再看一看甲烷的来源。从2008年到2017年，在这10年间，中国的甲烷人为排放量占中国排放总量的90%，美国人为排放占了60%。通过右侧这张条形图，可以看到最高的这一列接近人为排放量的50%，是我们采矿过程中泄露的甲烷。另外还有20%多来源于我们的牛羊牲畜，18%是水稻生产。所以占比最多的这三部分都跟我们的经济日常生活密切相关。
这个数字出来了，不过准不准，我们中国科学家一定要拿出自己的声音来。所以卫星监测将在这个过程中起到非常重要的作用。但是在甲烷这块，美国又走到了前面。我们如何利用好它的数据，分析好中国到底哪一个部分产生的甲烷多，哪一个部分产生的少？所以这又是一个国家急需的战略需求，给我们做卫星的科学家提出了非常大的挑战。
下面我再给大家分享一下，卫星怎么起作用。
▲ 2010-2019 全球甲烷排放分布
来源：Feng et al., 2022. Nat. Commun.
我们跟英国团队在3月16号发表了一篇文章，收录于《自然·通讯》。左边这张图给出了10年间全球甲烷的排放分布，大家看到60%的绿色部分都在低纬，也就是说低纬的热带地区是甲烷的主要来源。
我们这篇文章的数据来自于GOSAT，包括甲烷的数据、海面温度，还有降水和土壤湿度，都是卫星做的。所以卫星可以在全球尺度做非常好的观测。
▲ 海温和降水对热带区域甲烷排放的影响
来源：Feng et al., 2022. Nat. Commun.
上面这张图就说明了南美和非洲的甲烷到底跟什么因素有关：不同的线表示甲烷的变化跟温度和降水高度相关。
最后，我们总结出10年间全球甲烷增长率的变化：80%来自于热带，也就是很大一部分甲烷来自于自然。所以卫星非常直接地挖掘出了隐藏在变化背后的规律，这是非常重要的。
▲ GHGSAT 分辨率50米，幅宽12公里
D. J. Varon et al., 2018
另外，加拿大的私人公司也发射了甲烷监测卫星。大家看黄色区域，就用GHGSAT卫星监测到了中国内蒙某煤矿的甲烷排放。我们自己报的数值是170，用卫星估算的是2400，所以这个就差十几倍。
这个卫星在七八年前就已经上天了，从它的大小来看比人还要小。这个小型的卫星也将发挥非常重要的作用，所以有些条件下你的排放是透明的。
未来温室气体监测卫星的发展方向
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美国还在研发另一种卫星，这种卫星我们叫做静止卫星。前面提到的低轨卫星在700公里高度，静止卫星则在3万公。它跟地球是同步的。这就形成了对地球的一种静态：我就在你上空。这和我们的风云4号气象卫星是一样的。
从图中可以看到，它在一天的扫描就给出了一个非常好的覆盖。两条绿色轨道就是OCO-2相隔8天观测。
▲ 欧洲下一代温室气体监测卫星-CO2M计划
美国研发了世界上第一颗高轨道的静止卫星，而欧洲也正在进行布局，布局了三颗卫星。它的幅宽达到两三百公里，形成了非常好的监测能力。
那中国怎么办？国家科技部已经优先部署下一代中国卫星的研制，我们承担了卫星研制中设计、计算方面的工作。我们的初步想法是，下一代卫星应该寿命长、有一定的替代能力、有组网监测能力，另外还有一定的性价比。
这是中国下一代卫星初步的构想图，我们希望它能够有城市监测、区域背景监测、全球监测的能力。
通过前面十年的工作，我们给大家揭示了卫星在监测碳排放、甲烷排放以及生态系统碳吸收方面发挥的重要作用。希望在下一个阶段，面对非常激烈的国际竞争，我们中国科学家能够发挥集体智慧，将“从上到下”和“从下到上”充分地结合起来，实现我们“双碳”战略目标。
谢谢大家！
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