◇監(jiān)測森林碳匯，準確評估全球的碳匯能力，關(guān)系到國際碳匯計量標準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是多少。這就是“句芒號”最主要的價值

◇團隊創(chuàng)新性地將負責(zé)主動探測的激光雷達和負責(zé)被動探測的遙感相機，集成到同一臺載荷上。激光雷達通過點探測，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。

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)已開始用標校后的數(shù)據(jù)反演森林碳匯，將為我國碳中和目標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行人為干預(yù)的最大碳庫。從技術(shù)層面看，借助激光雷達和遙感相機，森林碳匯監(jiān)測是可以做到的。

“監(jiān)測森林碳匯，準確評估全球的碳匯能力，關(guān)系到國際碳匯計量標準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，激光雷達技術(shù)開始應(yīng)用到衛(wèi)星。“當時高分七號衛(wèi)星已經(jīng)啟動了，計劃搭載一個兩波束的激光雷達。從那時起，大家就開始琢磨，激光雷達還能多干點兒啥。”

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

從確定目標到“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、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”，圍繞測準碳匯，還需要對各項手段的指標進行適配和優(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，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19度、正負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。

團隊創(chuàng)新性地將負責(zé)主動探測的激光雷達和負責(zé)被動探測的遙感相機，集成到同一臺載荷上。激光雷達通過點探測，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，當其達到某個飽和點或者說一定的樹齡后，對碳中和的貢獻將可能大大減弱。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，獲取大氣縱向PM2.5含量信息。

黃縉說：“多個波束的激光雷達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)歷一個標校過程。

黃縉說，數(shù)據(jù)標校，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)操作團隊會把參數(shù)和算法調(diào)適到匹配完備、足以進行最終數(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準建立、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)”。

唐志堯認為，中國精準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，探尋碳中和途徑提供了基礎(chǔ)。“將為維護發(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