◇監(jiān)測森林碳匯，準(zhǔn)確評估全球的碳匯能力，關(guān)系到國際碳匯計量標(biāo)準(zhǔn)的確立以及國家間減排責(zé)任的分配

◇若要為政府的植樹造林規(guī)劃、碳交易等提供決策依據(jù)，碳匯監(jiān)測就要精確到市級乃至縣級尺度，摸清一個市、一個縣每年的碳匯貢獻(xiàn)是多少。這就是“句芒號”最主要的價值

◇團(tuán)隊創(chuàng)新性地將負(fù)責(zé)主動探測的激光雷達(dá)和負(fù)責(zé)被動探測的遙感相機，集成到同一臺載荷上。激光雷達(dá)通過點探測，獲得森林垂直高度信息，高分辨率遙感相機則通過面探測，獲取大范圍地面圖像，從而掌握森林面積、樹種等信息

我國在太原衛(wèi)星發(fā)射中心使用長征四號乙遙四十運載火箭，成功將陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星以及搭載的交通四號衛(wèi)星和閔行少年星順利送入預(yù)定軌道，發(fā)射任務(wù)獲得圓滿成功（2022 年 8 月 4 日攝） 鄭斌攝 / 本刊

實現(xiàn)碳中和要盯緊森林資源。為把準(zhǔn)森林碳匯，我國發(fā)射了一顆“星”。

2022年8月4日11時08分，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星“句芒號”在太原衛(wèi)星發(fā)射中心由長征四號乙遙四十運載火箭成功發(fā)射，這也是全球第一顆聚焦監(jiān)測森林碳匯的衛(wèi)星。

句（gōu）芒，中國古代民間神話中的木神，主管樹木發(fā)芽生長。由中國航天科技集團(tuán)有限公司第五研究院遙感衛(wèi)星總體部抓總研制的“句芒號”衛(wèi)星，主要任務(wù)則是監(jiān)測森林碳匯，服務(wù)于我國2060年前實現(xiàn)碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)。

碳中和，意味著陸地和海洋碳匯等加起來對二氧化碳的吸收，能夠與碳排放正負(fù)抵消，從而實現(xiàn)相對的零排放。森林作為陸地最大碳庫，碳儲備能力占陸地生態(tài)系統(tǒng)的80%以上。其強大的碳匯功能及碳匯提升潛力，對實現(xiàn)碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)作用重大。

“句芒號”衛(wèi)星總體主任設(shè)計師黃縉告訴《瞭望》新聞周刊，衛(wèi)星目前處于在軌測試階段，地面系統(tǒng)的數(shù)據(jù)標(biāo)校和預(yù)處理工作于今年2月基本完成，應(yīng)用系統(tǒng)已開始用標(biāo)校后的數(shù)據(jù)反演森林碳匯，將為我國碳中和目標(biāo)下的減排政策提供數(shù)據(jù)支撐。

森林碳匯監(jiān)測需更高效精確

實現(xiàn)碳中和需要對森林碳匯進(jìn)行高效監(jiān)測。這是由森林碳匯的重要性、人為可干預(yù)性決定的。

“句芒號”衛(wèi)星總設(shè)計師曹海翊告訴記者，森林是可以通過植樹造林方式進(jìn)行人為干預(yù)的最大碳庫。從技術(shù)層面看，借助激光雷達(dá)和遙感相機，森林碳匯監(jiān)測是可以做到的。

“監(jiān)測森林碳匯，準(zhǔn)確評估全球的碳匯能力，關(guān)系到國際碳匯計量標(biāo)準(zhǔn)的確立以及國家間減排責(zé)任的分配。”曹海翊說，“我國實現(xiàn)碳中和需要這顆星。”

“句芒號”之前，科學(xué)界更多用大氣反演計算方法對碳匯進(jìn)行宏觀估算，通過觀測二氧化碳濃度變化，間接推算出碳匯變化。

在對碳匯的精確測量上，由于此前的遙感衛(wèi)星只能做到觀測植被覆蓋面積，人工測量是監(jiān)測森林碳匯的重要手段。它需要測量人員步入森林中，測量樹木的高度、胸徑等。“關(guān)鍵是效率不夠。如果我們每年出臺一次碳匯清單，人工測量的效率難以滿足，衛(wèi)星則能做到每幾個月就把全國碳匯監(jiān)測一遍。”黃縉說。

黃縉說，我國尚且處于中幼期的人工林，成長速度要比自然林快，意味著這些森林的碳匯變化速率也快，其碳匯尤其需要比人工測量更高效的監(jiān)測手段來捕捉。

中國科學(xué)院大氣物理研究所研究員劉毅介紹，部分快速生長的人工林其收割周期，小于傳統(tǒng)的5至10年一次的人工測量碳匯周期，這部分樹木的碳匯貢獻(xiàn)就此被忽略。

國際研究也證實中國森林碳匯被低估。2020年，國際科學(xué)研究團(tuán)隊通過實地考察以及衛(wèi)星觀測得出中國西南地區(qū)和東北地區(qū)的新造樹林吸收二氧化碳規(guī)模被低估，這一研究成果刊登在《自然》（Nature）科學(xué)期刊上。

中國科學(xué)院院士樸世龍表示，我國植樹造林的年限較短，目前森林資源基本上以中幼林為主，占比約61%，這些中幼林的碳匯在未來才會達(dá)到峰值。

“衛(wèi)星監(jiān)測的必要性與優(yōu)勢，就在于即時、快速、準(zhǔn)確獲取我國乃至全球的森林碳匯儲備。”曹海翊說，不同于之前的遙感衛(wèi)星只能做到觀測植被覆蓋面積，“句芒號”實現(xiàn)了對森林植被的多維立體監(jiān)測。

記者了解到，“句芒號”監(jiān)測森林碳匯的過程是，先通過監(jiān)測樹高、樹的輪廓等，測算出森林植被的蓄積量（植被的體積），蓄積量結(jié)合樹種可測出植被的生物量（植被的干重），生物量乘以該樹種的含碳系數(shù)，最終得到碳匯。

黃縉說：“對碳匯的宏觀估算，可以服務(wù)于科學(xué)研究，但是，若要為政府的植樹造林規(guī)劃、碳交易等提供決策依據(jù)，碳匯監(jiān)測就要精確到市級乃至縣級尺度，摸清一個市、一個縣每年的碳匯貢獻(xiàn)是多少。這就是‘句芒號’最主要的價值。”

精益求精打磨“句芒號”

曹海翊此前擔(dān)任過2012年發(fā)射的資源三號衛(wèi)星和2019年發(fā)射的高分七號衛(wèi)星總設(shè)計師。她告訴本刊記者，2012年，激光雷達(dá)技術(shù)開始應(yīng)用到衛(wèi)星。“當(dāng)時高分七號衛(wèi)星已經(jīng)啟動了，計劃搭載一個兩波束的激光雷達(dá)。從那時起，大家就開始琢磨，激光雷達(dá)還能多干點兒啥。”

國家林業(yè)局（現(xiàn)國家林業(yè)和草原局）提出用激光雷達(dá)技術(shù)測樹高的需求后，用激光雷達(dá)+遙感相機測出森林碳匯的想法出爐。“當(dāng)年，碳匯的概念還不像今天這么流行。”黃縉說。

從確定目標(biāo)到“句芒號”發(fā)射升空，經(jīng)歷了大約10年時間。“怎么把蓄積量、生物量、生產(chǎn)力這些林業(yè)概念轉(zhuǎn)換成衛(wèi)星技術(shù)概念？用什么樣的載荷去測得什么樣的參數(shù)，才能反演出最終有效的碳匯值？”曹海翊說，10年中，團(tuán)隊為研究透這些問題，不斷和國家林業(yè)和草原局、中國林業(yè)科學(xué)研究院、東北林業(yè)大學(xué)等單位溝通交流。

為了測森林植被蓄積量，“句芒號”上配置了多波束激光雷達(dá)、多角度多光譜相機；測植被生產(chǎn)力或者說碳吸收程度，則靠一臺超光譜探測儀捕捉葉綠素?zé)晒猓蛔詈筮€有一臺多角度偏振成像儀監(jiān)測大氣PM2.5含量，以去除大氣對監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響。

這些探測儀器集合到一塊兒后，并不是“排排坐”，圍繞測準(zhǔn)碳匯，還需要對各項手段的指標(biāo)進(jìn)行適配和優(yōu)化。

——測得一片森林的蓄積量，就需要知道樹木的高度，掌握樹木的輪廓，清楚森林的面積。“句芒號”借助多波束激光雷達(dá)，通過計算激光到樹冠和地面的時間差，算得樹木高度。衛(wèi)星每次測量發(fā)射激光的波束數(shù)量、頻次決定了測量精度。黃縉說：“為此，激光雷達(dá)同時發(fā)射5個激光波束，每個波束一秒鐘內(nèi)打40個點，整顆衛(wèi)星一秒鐘打點高達(dá)200個。”

對于樹木的輪廓，多角度多光譜相機可分別從垂直0度、正負(fù)19度、正負(fù)41度5個方向獲取同一地面景物的多光譜圖像數(shù)據(jù)，不僅能看清森林冠頂，還能看清其側(cè)面，了解森林的疏密分布、健康、長勢等情況。

團(tuán)隊創(chuàng)新性地將負(fù)責(zé)主動探測的激光雷達(dá)和負(fù)責(zé)被動探測的遙感相機，集成到同一臺載荷上。激光雷達(dá)通過點探測，獲得森林垂直高度信息，高分辨率遙感相機則通過面探測，獲取大范圍地面圖像，從而掌握森林面積、樹種等信息。

——森林通過光合作用吸收二氧化碳的量是有限的，當(dāng)其達(dá)到某個飽和點或者說一定的樹齡后，對碳中和的貢獻(xiàn)將可能大大減弱。這就需要通過捕捉葉綠素?zé)晒?，來了解植被的光合作用強弱，掌握植被的碳吸收能力?/p>

葉綠素?zé)晒獾墓庾V范圍狹窄，只有100多納米的寬度。為此，團(tuán)隊努力將超光譜探測儀的光譜分辨率較傳統(tǒng)提升10倍，有效地“抓住”躲藏在某個漸變色角落里的葉綠素?zé)晒狻?/p>

——為了去除大氣對監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響，團(tuán)隊為“句芒號”專門配置了偏振成像儀來監(jiān)測大氣PM2.5含量，獲取大氣橫向PM2.5含量信息。另增配了大氣激光雷達(dá)，獲取大氣縱向PM2.5含量信息。

黃縉說：“多個波束的激光雷達(dá)和一臺探測地面圖像的高分辨率相機集成在一個載荷里面，導(dǎo)致第一版方案出來的時候，載荷重量超出火箭運載能力。只能一個元件一個元件去摳它的重量應(yīng)該控制在多少。”經(jīng)歷好幾輪方案的優(yōu)化迭代后，載荷才“瘦身”成功。

“句芒號”由火箭成功運載發(fā)射后，進(jìn)入在軌測試，載荷隨即開始正常運作。目前，應(yīng)用系統(tǒng)在持續(xù)接收“句芒號”測得的森林多維度遙感數(shù)據(jù)，并同步將其反演成森林碳匯信息。

把碳匯“翻譯”出來

2022年8月6日下午，“句芒號”發(fā)射兩天以后，團(tuán)隊第一次拿到衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，看到了波形和圖像。這之后，確保數(shù)據(jù)精確，還需要經(jīng)歷一個標(biāo)校過程。

黃縉說，數(shù)據(jù)標(biāo)校，需要有人去森林中實地測量，然后將衛(wèi)星數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)對比，修正衛(wèi)星數(shù)據(jù)誤差。修正數(shù)據(jù)后，國家林業(yè)和草原局的應(yīng)用系統(tǒng)操作團(tuán)隊會把參數(shù)和算法調(diào)適到匹配完備、足以進(jìn)行最終數(shù)據(jù)發(fā)布的狀態(tài)——“句芒號”目前所處的階段。之后，便是衛(wèi)星數(shù)據(jù)發(fā)布和業(yè)務(wù)化運行。

黃縉說，從衛(wèi)星數(shù)據(jù)到碳匯信息，“句芒號”解決的是“能不能”。至于“怎么能”，需要經(jīng)歷一個數(shù)據(jù)“翻譯”的過程。應(yīng)用系統(tǒng)操作團(tuán)隊通過對地面森林樣地的測量獲取不同樹種的基礎(chǔ)信息，然后就不同樹種，分別建立將蓄積量換算成碳匯的算法。這樣，“句芒號”測得森林蓄積量后，結(jié)合樹種與其對應(yīng)的算法，蓄積量就可被“翻譯”為碳匯。

曹海翊說，“句芒號”搭載的高分辨率遙感相機可以區(qū)分出植被是針葉林還是闊葉林，“這是一個重要的樹種區(qū)分”，然后需要結(jié)合已有的森林樹種調(diào)研資料，完成更細(xì)致的樹種區(qū)分。

也就是說，“句芒號”本身數(shù)據(jù)的精確之外，國家林業(yè)和草原局掌握的森林樹種、面積、高度、年齡等資料，能讓“翻譯”更加高效。

但對于零星的、散點的樹木種植，人工測量碳匯依然具有優(yōu)勢。曹海翊說，在更加復(fù)雜、隨機的植被覆蓋狀態(tài)下，人工測量可以比衛(wèi)星監(jiān)測獲得更為充分和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。“就目前而言，人工測量碳匯和衛(wèi)星監(jiān)測可以說是相輔相成的。”

“句芒號”將提高中國相關(guān)領(lǐng)域話語權(quán)，更好維護(hù)中國和發(fā)展中國家的權(quán)益。

北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院教授唐志堯告訴《瞭望》新聞周刊，“句芒號”衛(wèi)星，體現(xiàn)了中國自主的區(qū)域及全球碳匯強度、潛力評估技術(shù)進(jìn)步。“這不僅有利于我國碳中和政策制定與政策實施成效評估，也讓中國掌握了國際碳匯計量標(biāo)準(zhǔn)建立、國際減排責(zé)任分配以及國際碳交易的主動權(quán)。”

“目前國際上公布的碳匯核算結(jié)果，往往由于出自不同的組織機構(gòu)、模型方法或數(shù)據(jù)來源，表現(xiàn)出較大的差異性和不確定性。”清華大學(xué)能源環(huán)境經(jīng)濟研究所副研究員趙秀生對本刊記者表示，未來如果能結(jié)合衛(wèi)星提供的監(jiān)測信息和演變動態(tài)進(jìn)行碳匯評估，“會提高評估結(jié)果公信力，增強我國在碳匯計量與核算方法上的話語權(quán)”。

唐志堯認(rèn)為，中國精準(zhǔn)評估全球各國碳匯強度與潛力，為其他國家特別是發(fā)展中國家設(shè)立碳中和目標(biāo)，探尋碳中和途徑提供了基礎(chǔ)。“將為維護(hù)發(fā)展中國家在減排責(zé)任分配及國際碳交易上的權(quán)益提供有力技術(shù)支持。”

來源： 瞭望 2023年第20期