从中国科学院大气物理研究所获悉，基于低成本中精度温室气体传感器，该所研究团队成功构建地基—无人机协同碳观测网络（LUCCN），并利用该观测网络对发电厂二氧化碳排放进行了定性和定量研究。相关研究成果在线发表于《大气科学进展》杂志。

人为排放的大量二氧化碳留存在大气中，造成全球气候的显著变化。为尽快落实《巴黎协定》，降低气候变化对人类的影响，控制人为碳排放已成为社会各界的基本认识。为此，来自中国科学院大气物理研究所、中国科学院空天信息创新研究院等单位的多个科研团队紧密合作，在广东省深圳市和广西壮族自治区南宁市先后开展了针对城市地区和重点行业的温室气体地基遥感和无人机综合观测实验。

“碳”究竟为哪般？

目前,人类每年因使用化石燃料向地球大气中排放的二氧化碳超过300亿吨，生物燃料、森林火灾以及农业焚烧等每年共排放二氧化碳达55亿吨。科学家认为，这些人类活动造成地球自然碳循环失衡，导致地球表面温度上升和气候变化。因此，对大气二氧化碳水平的研究极为重要。要想真正有效地实施防止全球气候变暖的各种措施，掌握气候变暖的准确情况，首先就需监测全球碳排放，以便采取有效的应对措施，减小全球二氧化碳浓度。

其实，监测二氧化碳的工作在地面早已开展了，而且精度、时间分辨率和可靠性均比较高，但为什么近年还要发射碳卫星来进行监测呢？这是因为在地面监测二氧化碳存在成本高、难度大等困难，所以用于监测二氧化碳浓度分布的地面观测点数量有限，且分布不均，至今全球的二氧化碳地面观测站点仅有约300个左右，并大多位于美国、欧洲等。在南北两极以及海洋、沙漠等地区缺少观测站点，因此难以满足监测全球二氧化碳分布和浓度的需求。

碳中和进程不仅依赖能源技术的变革创新，也离不开相关政策的优化和实施效果的评估。这就要求对碳排放、碳汇的现状和变化过程有深入了解，而全面准确的监测数据是重要基础。很长一段时间以来，人们主要通过地面站点监测二氧化碳排放，虽然绝对精度较高，但因地面监测站数量有限，很难覆盖全球，无法得出全球范围二氧化碳及碳源、碳汇的空间分布情况。

随着大气探测和模型模拟技术的飞速发展，通过大气二氧化碳浓度观测溯源碳排放的方法，被认为是评估温室气体减排成果的有效方法。用卫星可使上述问题迎刃而解。用卫星监测全球的二氧化碳分布情况，具有监测范围广，能在全球范围内确定二氧化碳浓度分布的优点，能快速、经济、可重复地获取大尺度上大气中二氧化碳的信息，进而可提高人类对全球碳循环过程的理论认识，改进气候变化预测结果的可信度和稳定性。

排放监测“碳卫星”

遥望蓝天，“碳卫星”正成为中坚力量。2021年，中国科研团队基于我国第一颗碳卫星——全球二氧化碳监测科学实验卫星的观测数据，发布全球碳通量数据集，标志着我国已具备全球碳收支的空间定量监测能力，可以助力盘点各地碳收支。

2006年，联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)制定了《IPCC国家温室气体清单指南》(以下简称《指南》)，要求各国按照《指南》的方法要求编制清单，但国别清单的误差、偏差、透明度等问题无法避免。随着大气探测和模型模拟技术的飞速发展，通过大气二氧化碳浓度观测溯源排放的方法被认为可以有效核验清单，因此在2019年修订版中，该方法被正式写入《指南》。与地面监测站相比，卫星由于其观测视角特殊，已在全球覆盖观测中占据重要地位。

碳卫星通过利用大气二氧化碳吸收光谱的形态，来计算获得二氧化碳在大气中的含量，进而计算碳排放和碳吸收。其优势在于看得广、看得清，与地面观测形成有效互补。自2009年以来，日本、美国和中国相继发射了碳卫星。

卫星在轨运行只是第一步，如何利用卫星遥感进行准确有效的监测、获取高质量数据、对数据进行科学解析以及数据产品的应用等环节才是重头戏。大气二氧化碳的变化涉及大气圈、生物圈、岩石圈、海洋圈、人类圈等多个圈层的相互联系。利用碳卫星监测的难度在于精度要求很高，需要达到2.5‰，误差极小。因此，探测仪器、大气、地表等干扰对精度的影响巨大。例如，空气中的气溶胶形态各异，导致其产生的干扰效果差异大，对于碳排放较强地区，气溶胶的污染相对也大，这就会造成对排放源附近观测的误差。因此，在观测中，针对气溶胶问题会搭载额外的通道，通过对气溶胶的协同探测，来修订其引入的偏差。在中国碳卫星研发团队的攻关下，从卫星平台、载荷研制，到反演算法、同化系统，形成了全链路的突破。

这一代碳卫星的核心目标是针对《巴黎协定》提出的全球盘点任务，实现空间碳监测方法。下一代碳卫星将继续提高精度，并完成真正的全球覆盖观测，实现全球碳排放和碳汇的高时频、高定量、高覆盖观测。各国可以通过合作形成碳卫星“虚拟星座”，协同观测大气二氧化碳，为全球气候变化提供更加丰富的监测数据。目前，包括我国在内的不少国家已开始下一代碳卫星的研发工作，将面向全球盘点双碳目标，更全面地解析全球和国家等多级目标对象的碳排放和碳汇情况。

二氧化碳观测有了“立体网络”

“由于对城市地区、重点行业的二氧化碳排放情况了解不足，我们目前掌握的全球碳收支情况仍具有很大的不确定性。”论文第一作者、中国科学院大气物理研究所副研究员杨东旭说，考虑到人为排放源具有较高的排放强度和复杂多变性，有必要对大气二氧化碳浓度变化开展密集、高质量的连续探测。

实验中，杨东旭团队构建了一套地基便携设备和无人机飞行阵列协同的碳观测网络，以弥补温室气体探测卫星时空连续性不足的缺憾，形成了针对排放源的立体观测网络。该观测网络由5台地基观测设备和4台无人机设备构成，能够实现空—地协同的温室气体原位探测。杨东旭说：“这些探测设备均采用低成本、高精度的非色散红外传感器对大气二氧化碳浓度进行探测，每台地基观测设备均配备了高精度微型气象站，辅助后续的数据定标和量化分析。”

杨东旭表示，新观测网络兼具地基和无人机的探测能力，在探测的时间连续性、空间覆盖度、机动性等方面具有明显优势，极大地提升了探测数据的有效信息含量。

温室效应的主要危害在于全球的温度逐年升高、冰川融化、海平面上升、出现极端天气。并对人和动物带来空气污染、饥荒、疾病，而对植物来说则意味着减产和生长环境被破坏。温室气体排放来主要来源于工业的生产发展和交通工具的尾气排放。其中二氧化碳的排放主要来源于燃烧化石燃料，而化石燃料则包括：煤炭、石油、天然气等。例如，以煤炭燃烧为能源的发电厂、供暖锅炉厂等就涉及到大量的二氧化碳排放。

首先，不论是有组织排放或无组织排放，对于区域内二氧化碳排放在线监测会使得管理方对于区域内的排放情况有一个全面的了解。这些监测可以选择通过空气质量监测站、小型站或微站来进行网格化或精细化布点来进行全面布控。并通过智能化的软件管理平台，就可以轻松的查询每个点位的实时数据及调阅历史数据。其次，监测数据会成为管理的依据。管理方可以通过实时数据发现区域内的超标排放情况，进行污染源头追溯。也可以根据历史数据进行减排效果验证。且可以根据历史数据结算每月、每季度、每年的排放量，以做到管理有数。

除了管理和减排之外，要改善二氧化碳排放，改善温室效应的更好办法是进行能源的替换，这也是我国近年来持续在做的事情。例如，将燃烧煤炭逐步转为使用天然气，或建立核电厂代替传统烧煤发电厂等。另外，我国也在大力推进可再生能源的应用，例如，利用风能、太阳能、水能、潮汐能、生物能、氢能等。目的是通过多管齐下的手段来缓解温室效应问题，为我国人民，乃至全人类创造更好的生存环境。

文章来源： 科技日报，人民网，科普中国，迪勤科技