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瞭望丨碳中和用上这颗星

媒体:新华社客户端  作者:魏雨虹
专业号:林森
2023/5/15 7:00:58

◇监测森林碳汇,准确评估全球的碳汇能力,关系到国际碳汇计量标准的确立以及国家间减排责任的分配

◇若要为政府的植树造林规划、碳交易等提供决策依据,碳汇监测就要精确到市级乃至县级尺度,摸清一个市、一个县每年的碳汇贡献是多少。这就是“句芒号”最主要的价值

◇团队创新性地将负责主动探测的激光雷达和负责被动探测的遥感相机,集成到同一台载荷上。激光雷达通过点探测,获得森林垂直高度信息,高分辨率遥感相机则通过面探测,获取大范围地面图像,从而掌握森林面积、树种等信息

我国在太原卫星发射中心使用长征四号乙遥四十运载火箭,成功将陆地生态系统碳监测卫星以及搭载的交通四号卫星和闵行少年星顺利送入预定轨道,发射任务获得圆满成功(2022 年 8 月 4 日摄) 郑斌摄 / 本刊

实现碳中和要盯紧森林资源。为把准森林碳汇,我国发射了一颗“星”。

2022年8月4日11时08分,陆地生态系统碳监测卫星“句芒号”在太原卫星发射中心由长征四号乙遥四十运载火箭成功发射,这也是全球第一颗聚焦监测森林碳汇的卫星。

句(gōu)芒,中国古代民间神话中的木神,主管树木发芽生长。由中国航天科技集团有限公司第五研究院遥感卫星总体部抓总研制的“句芒号”卫星,主要任务则是监测森林碳汇,服务于我国2060年前实现碳中和的战略目标。

碳中和,意味着陆地和海洋碳汇等加起来对二氧化碳的吸收,能够与碳排放正负抵消,从而实现相对的零排放。森林作为陆地最大碳库,碳储备能力占陆地生态系统的80%以上。其强大的碳汇功能及碳汇提升潜力,对实现碳中和战略目标作用重大。

“句芒号”卫星总体主任设计师黄缙告诉《瞭望》新闻周刊,卫星目前处于在轨测试阶段,地面系统的数据标校和预处理工作于今年2月基本完成,应用系统已开始用标校后的数据反演森林碳汇,将为我国碳中和目标下的减排政策提供数据支撑。

森林碳汇监测需更高效精确

实现碳中和需要对森林碳汇进行高效监测。这是由森林碳汇的重要性、人为可干预性决定的。

“句芒号”卫星总设计师曹海翊告诉记者,森林是可以通过植树造林方式进行人为干预的最大碳库。从技术层面看,借助激光雷达和遥感相机,森林碳汇监测是可以做到的。

“监测森林碳汇,准确评估全球的碳汇能力,关系到国际碳汇计量标准的确立以及国家间减排责任的分配。”曹海翊说,“我国实现碳中和需要这颗星。”

“句芒号”之前,科学界更多用大气反演计算方法对碳汇进行宏观估算,通过观测二氧化碳浓度变化,间接推算出碳汇变化。

在对碳汇的精确测量上,由于此前的遥感卫星只能做到观测植被覆盖面积,人工测量是监测森林碳汇的重要手段。它需要测量人员步入森林中,测量树木的高度、胸径等。“关键是效率不够。如果我们每年出台一次碳汇清单,人工测量的效率难以满足,卫星则能做到每几个月就把全国碳汇监测一遍。”黄缙说。

黄缙说,我国尚且处于中幼期的人工林,成长速度要比自然林快,意味着这些森林的碳汇变化速率也快,其碳汇尤其需要比人工测量更高效的监测手段来捕捉。

中国科学院大气物理研究所研究员刘毅介绍,部分快速生长的人工林其收割周期,小于传统的5至10年一次的人工测量碳汇周期,这部分树木的碳汇贡献就此被忽略。

国际研究也证实中国森林碳汇被低估。2020年,国际科学研究团队通过实地考察以及卫星观测得出中国西南地区和东北地区的新造树林吸收二氧化碳规模被低估,这一研究成果刊登在《自然》(Nature)科学期刊上。

中国科学院院士朴世龙表示,我国植树造林的年限较短,目前森林资源基本上以中幼林为主,占比约61%,这些中幼林的碳汇在未来才会达到峰值。

“卫星监测的必要性与优势,就在于即时、快速、准确获取我国乃至全球的森林碳汇储备。”曹海翊说,不同于之前的遥感卫星只能做到观测植被覆盖面积,“句芒号”实现了对森林植被的多维立体监测。

记者了解到,“句芒号”监测森林碳汇的过程是,先通过监测树高、树的轮廓等,测算出森林植被的蓄积量(植被的体积),蓄积量结合树种可测出植被的生物量(植被的干重),生物量乘以该树种的含碳系数,最终得到碳汇。

黄缙说:“对碳汇的宏观估算,可以服务于科学研究,但是,若要为政府的植树造林规划、碳交易等提供决策依据,碳汇监测就要精确到市级乃至县级尺度,摸清一个市、一个县每年的碳汇贡献是多少。这就是‘句芒号’最主要的价值。”

精益求精打磨“句芒号”

曹海翊此前担任过2012年发射的资源三号卫星和2019年发射的高分七号卫星总设计师。她告诉本刊记者,2012年,激光雷达技术开始应用到卫星。“当时高分七号卫星已经启动了,计划搭载一个两波束的激光雷达。从那时起,大家就开始琢磨,激光雷达还能多干点儿啥。”

国家林业局(现国家林业和草原局)提出用激光雷达技术测树高的需求后,用激光雷达+遥感相机测出森林碳汇的想法出炉。“当年,碳汇的概念还不像今天这么流行。”黄缙说。

从确定目标到“句芒号”发射升空,经历了大约10年时间。“怎么把蓄积量、生物量、生产力这些林业概念转换成卫星技术概念?用什么样的载荷去测得什么样的参数,才能反演出最终有效的碳汇值?”曹海翊说,10年中,团队为研究透这些问题,不断和国家林业和草原局、中国林业科学研究院、东北林业大学等单位沟通交流。

为了测森林植被蓄积量,“句芒号”上配置了多波束激光雷达、多角度多光谱相机;测植被生产力或者说碳吸收程度,则靠一台超光谱探测仪捕捉叶绿素荧光;最后还有一台多角度偏振成像仪监测大气PM2.5含量,以去除大气对监测数据的影响。

这些探测仪器集合到一块儿后,并不是“排排坐”,围绕测准碳汇,还需要对各项手段的指标进行适配和优化。

——测得一片森林的蓄积量,就需要知道树木的高度,掌握树木的轮廓,清楚森林的面积。“句芒号”借助多波束激光雷达,通过计算激光到树冠和地面的时间差,算得树木高度。卫星每次测量发射激光的波束数量、频次决定了测量精度。黄缙说:“为此,激光雷达同时发射5个激光波束,每个波束一秒钟内打40个点,整颗卫星一秒钟打点高达200个。”

对于树木的轮廓,多角度多光谱相机可分别从垂直0度、正负19度、正负41度5个方向获取同一地面景物的多光谱图像数据,不仅能看清森林冠顶,还能看清其侧面,了解森林的疏密分布、健康、长势等情况。

团队创新性地将负责主动探测的激光雷达和负责被动探测的遥感相机,集成到同一台载荷上。激光雷达通过点探测,获得森林垂直高度信息,高分辨率遥感相机则通过面探测,获取大范围地面图像,从而掌握森林面积、树种等信息。

——森林通过光合作用吸收二氧化碳的量是有限的,当其达到某个饱和点或者说一定的树龄后,对碳中和的贡献将可能大大减弱。这就需要通过捕捉叶绿素荧光,来了解植被的光合作用强弱,掌握植被的碳吸收能力。

叶绿素荧光的光谱范围狭窄,只有100多纳米的宽度。为此,团队努力将超光谱探测仪的光谱分辨率较传统提升10倍,有效地“抓住”躲藏在某个渐变色角落里的叶绿素荧光。

——为了去除大气对监测数据的影响,团队为“句芒号”专门配置了偏振成像仪来监测大气PM2.5含量,获取大气横向PM2.5含量信息。另增配了大气激光雷达,获取大气纵向PM2.5含量信息。

黄缙说:“多个波束的激光雷达和一台探测地面图像的高分辨率相机集成在一个载荷里面,导致第一版方案出来的时候,载荷重量超出火箭运载能力。只能一个元件一个元件去抠它的重量应该控制在多少。”经历好几轮方案的优化迭代后,载荷才“瘦身”成功。

“句芒号”由火箭成功运载发射后,进入在轨测试,载荷随即开始正常运作。目前,应用系统在持续接收“句芒号”测得的森林多维度遥感数据,并同步将其反演成森林碳汇信息。

把碳汇“翻译”出来

2022年8月6日下午,“句芒号”发射两天以后,团队第一次拿到卫星观测数据,看到了波形和图像。这之后,确保数据精确,还需要经历一个标校过程。

黄缙说,数据标校,需要有人去森林中实地测量,然后将卫星数据和实测数据对比,修正卫星数据误差。修正数据后,国家林业和草原局的应用系统操作团队会把参数和算法调适到匹配完备、足以进行最终数据发布的状态——“句芒号”目前所处的阶段。之后,便是卫星数据发布和业务化运行。

黄缙说,从卫星数据到碳汇信息,“句芒号”解决的是“能不能”。至于“怎么能”,需要经历一个数据“翻译”的过程。应用系统操作团队通过对地面森林样地的测量获取不同树种的基础信息,然后就不同树种,分别建立将蓄积量换算成碳汇的算法。这样,“句芒号”测得森林蓄积量后,结合树种与其对应的算法,蓄积量就可被“翻译”为碳汇。

曹海翊说,“句芒号”搭载的高分辨率遥感相机可以区分出植被是针叶林还是阔叶林,“这是一个重要的树种区分”,然后需要结合已有的森林树种调研资料,完成更细致的树种区分。

也就是说,“句芒号”本身数据的精确之外,国家林业和草原局掌握的森林树种、面积、高度、年龄等资料,能让“翻译”更加高效。

但对于零星的、散点的树木种植,人工测量碳汇依然具有优势。曹海翊说,在更加复杂、随机的植被覆盖状态下,人工测量可以比卫星监测获得更为充分和准确的数据。“就目前而言,人工测量碳汇和卫星监测可以说是相辅相成的。”

“句芒号”将提高中国相关领域话语权,更好维护中国和发展中国家的权益。

北京大学城市与环境学院教授唐志尧告诉《瞭望》新闻周刊,“句芒号”卫星,体现了中国自主的区域及全球碳汇强度、潜力评估技术进步。“这不仅有利于我国碳中和政策制定与政策实施成效评估,也让中国掌握了国际碳汇计量标准建立、国际减排责任分配以及国际碳交易的主动权。”

“目前国际上公布的碳汇核算结果,往往由于出自不同的组织机构、模型方法或数据来源,表现出较大的差异性和不确定性。”清华大学能源环境经济研究所副研究员赵秀生对本刊记者表示,未来如果能结合卫星提供的监测信息和演变动态进行碳汇评估,“会提高评估结果公信力,增强我国在碳汇计量与核算方法上的话语权”。

唐志尧认为,中国精准评估全球各国碳汇强度与潜力,为其他国家特别是发展中国家设立碳中和目标,探寻碳中和途径提供了基础。“将为维护发展中国家在减排责任分配及国际碳交易上的权益提供有力技术支持。”

来源: 瞭望 2023年第20期

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