碳排放、水生态与时空反演

《联合国气候变化框架公约》 

与《IPCC国家温室气体指南清单》

1992年5月9日,联合国大会通过了一项公约——《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC),该公约的终极目标是将大气温室气体浓度维持在一个稳定的水平,在该水平上人类活动对气候系统的危险干扰不会发生。这是人类历史上应对气候变化的第一个里程碑式的国际法律文本,也是全球首个为全面控制二氧化碳等温室气体排放,应对全球气候变暖给人类经济和社会带来不利影响的国际公约。《公约》自1944年3月21日起对中国生效,如今已有190多个缔约方。它与1997年《京都议定书》、2016年《巴黎协定》一起,形成2020年后的全球气候治理格局。

联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC),做为《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC) 和全球应对气候变化的核心技术支撑机构,在全球应对气候变化过程中发挥了决定性作用。其制定的《2006 IPCC 国家温室气体清单指南》,为世界各国建立国家温室气体清单和减排履约提供了最新的方法和规则,其方法学体系对全球各国具有深刻和显著的影响。在2019年的指南修订版本中,首次完整提出了基于大气浓度(遥感测量和地面基站测量)反演温室气体排放量、进而验证传统自下而上清单结果的方法

反演为何如此重要?

在IPCC-49全会上,针对第1卷中的利用大气浓度反演温室气体排放量的方法及其在《2019清单指南》中的文字表述进行了多次讨论,凸显了各国对于这种新方法的重视。这其中提到的反演到底为何物?怎样通过时空数据的反演,实现不同尺度的大气碳排放监测?

反演是指能够模仿人类智能的计算机程序系统的人工智能系统,它具有学习和推理的功能。例如专家系统、人工神经网络系统等。在反问题求解过程中应用人工智能的方法技术,引导局部或全局最优,这种反演方法称为人工智能反演,现阶段又分为线性反演、迭代反演、最优化反演等。而典型的应用,就是基于卫星遥感影像的反演。

地球表面是一个复杂的系统,在之前的《一文了解遥感卫星影像处理及其发展趋势》中,我们提到,遥感影像特征是由地面反射率、大气作用等过程形成的,对地观测得到的遥感像元从几米到几公里的空间分辨率。人类对地表真实性的了解,需要用多种参数来描述,如果以遥感影像为已知量,去推算某个影响遥感成像的未知参数,就可以得到人们实际需要的地表各种特性参数,这个过程就是遥感反演。

所以,反演本质上是一个病态反演问题,因而必须在反演过程中尽可能地充分利用一切先验知识,把新观测的信息量有效地用于时空多变要素的估计上,使新观测中的信息有效分配给这一复杂系统中的时空多变参数。通俗地说,就是在混沌系统中输入先验信息,并不断添加新的确定性信息,反推直至未知因素准确显形。

而在消除不确定性的层面上,又可以将反演看做是一个不断学习、不断演进和无限逼近现实的进程,通过机器对海量历史时空数据的深度学习,对参数进行修正和精准化,所以,遥感反演与AI紧密结合在一起,也将成为具有巨大潜力的时空智能基础。

不仅仅是清单指南中提出的大气反演,遥感卫星对地观测到的各类自然资源及其异常情况,如干旱、水体污染等,都可以通过遥感反演实现定量监测,例如广泛应用的归一化植被指数(NDVI),用于定性和定量反映植被覆盖度及其生长活力,通过测量近红外(植被强烈反射) 和红光(植被吸收)之间的差异来量化植被。

图片[1]-碳排放、水生态与时空反演-元地理信息科学

利用MODIS(MOD13Q1)遥感植被长势监测

综上所述,基于时空的反演对于碳达峰、碳中和来说,是一种重要的监测和管理手段,主要作用在两个方面。

在大气温室气体排放的层面,基于高空间分辨率温室气体排放网格数据库和遥感数据的结合,实现对CO2/CH4温室气体、NO2/SO2/O3污染气体监测,成为全球、全国,以及各省市地区的碳预算科学设置、碳核算准确检验的宏观基础,对于碳核算具有重要意义。

而在生态保护方面来说,遥感反演能够对面积广阔的自然资源和植被实现快速、准确的常态监测和保护,对水华和富营养化、干旱和荒漠化等生态异常现象及时发现和量化追踪,实现生态成效性保护。

大气反演的上下结合

《2019 IPCC 国家温室气体清单指南》中可以看到的趋势是,基于大气浓度(遥感测量和地面基站测量)反演温室气体排放量,进而验证传统自下而上清单结果的方法将会越来越重要。

这是一种将天上的遥感星座对地观测与地面的基站相结合,自上到下相互验证的一种科学、精细、客观的评估测量方式:基于观测的温室气体浓度和气象场资料,利用地面排放网格定标,结合反演模式自上而下核算区域源汇及变化状况。在实践中,该模式优于传统单纯通过排放因子和活动水平计算温室气体排放核算方式,成为各国温室气体清单检验和校正的重要手段。

这其中,地面高空间分辨率的温室气体排放空间网格数据是大气浓度反演的基础数据和定标数据,是国际遥感数据(GOSAT和OCO-2等温室气体观测卫星数据)定量反演的关键。

欧空局(ESA)2021年大气反演中,使用了6个CO2模型,22个CH4模型,3个N2O模型,这些模型来自全球碳项目合成,利用大气测量、气体传输模型和通量图,计算了地表到大气的碳排放量,并分别提供了CO2, CH4, N2O的月通量。

图片[2]-碳排放、水生态与时空反演-元地理信息科学

欧空局2021大气反演模型

所以,建设高空间分辨率温室气体排放网格数据库,以此数据库和遥感数据为基础,推进基于大气浓度(尤其是遥感监测浓度)反演温室气体排放量的技术和方法,成为一种碳核算的可行办法,同时也能逐级深化推演,成为实现省市区域大气定量反演监测的宏观基础。

图片[3]-碳排放、水生态与时空反演-元地理信息科学

2018 年9月全球大气二氧化碳(CO2)监测结果,可清晰反映空间分布特点和波动趋势,该月份南半球二氧化碳(CO2)浓度高于北半球,整体分布趋势与国外同类卫星GOSAT、OCO-2监测结果一致。| 中国高分卫星应用国家报告

去年年底,我国也建成了首个自上而下反演大气二氧化碳源-汇变化的反演核算系统—— 中国气象局碳监测核查支持系统(CMA.Carbon MVS v1.0)。

图片[4]-碳排放、水生态与时空反演-元地理信息科学

该系统依托中国气象局59个温室气体在线监测站高精度二氧化碳浓度数据,辅以碳卫星二氧化碳柱总量数据,掌握全球1×1度、中国区域45×45千米、城市5×5千米格点人为和自然碳通量变化,也是我国第一个可业务运行的全球、中国区域和省市、格点尺度四级嵌套格网碳监测同化反演核算系统。

基于卫星遥感时空数据,还能够支持监测不同行业来源的碳排放。

由全球多个科研团队和科学家组成的FFDAS项目组,使用来自卫星图像的遥感数据,结合国家燃料数据和一个全球发电厂数据库来创建全球二氧化碳排放图,以10公里的分辨率量化全世界每小时来自化石燃料的二氧化碳排放量。

图片[5]-碳排放、水生态与时空反演-元地理信息科学

FFDAS建立的全球二氧化碳排放图:可以看到CO2排放量因时间而异。白天,每小时碳排放量高于夜间,进入夜晚,碳排放量从红色(高于平均值)变为绿色(低于平均值)

而这个颗粒度还能够不断深入,直至某个区域。

自然资源部利用卫星遥感技术手段,对全国钢铁行业用地情况及产能情况进行专项监测,在这个过程中,利用热红外卫星数据反演地表温度信息,分析其热环境变化,获得了钢铁厂区地表温度图及高温区分布图,估算钢铁企业产能,提取疑似地条钢生产企业,并利用卫星遥感影像进行排查与验证,可估算监测区的动态生产状态。

图片[6]-碳排放、水生态与时空反演-元地理信息科学

监测区域生产状态评定图 | 中国高分卫星应用国家报告

多源卫星数据、高空间分辨率碳排放系统产生的海量时空数据,通过时空数据平台服务,能够灵活构建适合省市地区的人为碳排放总量变化、自然碳汇变化监测与核查应用,并通过接入人工智能、反演模型、区块链进行时空溯源,分析重点排放源、温室气体排放量和减排潜力,加快各地区落实减排目标;并协同支撑碳排放量配额的合理分配和指导碳排放权市场交易。

上下结合水生态保护

地球空间信息学为人与自然可持续发展之道的探索提供了大的框架,基于时空的反演,更能够帮助人类关注到自身与自然生态之间的动态关系,分析和挖掘人类与自然之间存在的空间、因果关系和发展趋势,对于碳达峰、碳中和保护和发展碳汇有着关键作用。

在这个领域中,遥感反演在保护水资源、及时发现水污染的水文水资源监测方面也有着广泛、智能的监测作用。在水资源遥感监测方面利用的遥感反演手段,与大气反演类似,采用卫星和地面同步观测的方式上下结合——

通过遥感卫星的动态监测,对同一地区不同时相地表水体的遥感影像进行水体分布范围提取与对比分析,获得其动态变化的水资源和水生态环境宏观状态。

对水体进行实地取样化验,测取水体光谱,根据实测水质参数和同步高分影像,可构建叶绿素 a 浓度、悬浮物浓度、浊度、透明度、溶解氧、化学需氧量和总磷浓度等遥感反演模型,及流域下垫面分类和水文参数等,实现水资源、水生态多要素的遥感精细定量监测与趋势分析。

图片[7]-碳排放、水生态与时空反演-元地理信息科学

基于高分卫星数据的潘家口-大黑汀水库水质遥感监测 | 中国高分卫星应用国家报告

通过遥感卫星影像不断的动态实时更新形成的时空累积和实时变化,能够建立具有广泛应用价值的高效、动态水资源监管和水生态保护的高分遥感监测体系。

除了反演水功能水质物理参数,利用遥感手段还可反演降雨、蒸发、土壤含水量、积雪覆盖等水文参数,有利于水土保持的生态能力,同时促进农业生态发展。

在多源卫星观测体系和万物互联的时空时代,我们能够利用时空数据所做的智能化监测与应用还有很多,因为借助于时空的视角,人类的认知在空间和时间维度被前所未有地拓宽和深化

但另一方面,全人类也面临着前所未有的气候变化危机,如何利用前所未有的时空认知,去应对并尽力解决人类社会发展所面临的巨大挑战,这是时代的命题,呼唤着更多地球科学、行业算法、人工智能、区块链等技术的参与进来,制定行动基准、实现高效协作,最终实现碳中和和全球可持续发展。

参考资料:

  • 《IPCC2006年国家温室气体清单指南》2019修订部分分析 作者:蔡博峰(生态环境部环境规划院气候变 化与环境政策研究中心)等

  • 《2019 中国高分卫星应用国家报告》

  • 碳监测核查支持系统建成!可掌握格点人为和自然碳通量变化

    绘制全球二氧化碳排放图 Caitlin Dempsey

  • Comparing national greenhouse gas budgets reported in UNFCCC  inventories against atmospheric inversions,Zhu Deng..

本文来自微信公众号 超擎时空

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