2020年9月22日，中国政府在第七十五届联合国大会上提出：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”碳中和这一陌生但却不算新鲜的概念开始不断出现在新闻与大众视野中。

在全球已有142个国家和地区签署的《京都协议书》中，要求减排的6种温室气体里二氧化碳为最大宗。

一、CO2的来源与危害

二氧化碳是一种化学式为CO2的碳氧化合物，也是一种常见的温室气体。二氧化碳具有三种形态：在常温常压条件下以无色无味的气体形态存在，是空气的组成成分之一，占大气总体积的0.03%-0.04%；在高压低温条件下可以液体或者固体的形态存在，是一种制冷剂，可用于保存食品和人工降雨。同时也是一种工业原料，可用于制纯碱、尿素和汽水。

二氧化碳的产生主要源自五个方面：有机物（包括动植物）在分解、发酵、腐烂和质变的过程中会释放二氧化碳；石油、石蜡、煤炭和天然气等物质在燃烧过程中会释放二氧化碳；石油、煤炭等物质在生产化工产品过程中会释放二氧化碳；所有粪便、腐殖酸在发酵、熟化过程中会释放二氧化碳；所有动物在呼吸过程中也都会吐出二氧化碳。

自工业革命以来，人口急剧增加、工业也迅速发展。一方面，人类活动所排放的二氧化碳为主的温室气体远远超过了过去的水平。而另一方面，由于大量开垦农田、建成工厂和城市建筑，森林植被大规模砍伐从而减少了将二氧化碳转化为有机物的条件。再加上温室气体通过温室效应，吸收地表和大气发射的长波辐射，影响地气系统辐射收支平衡，导致全球气候变化，大气中二氧化碳含量逐年增加，结果造成温室效应日益增强。

除了对环境造成危害，浓度过高的二氧化碳也会对人体造成危害。据研究表明，空气中二氧化碳浓度低于2%时，对人体没有明显的危害。超过这个浓度则可能引起二氧化碳中毒，导致人体呼吸器官损坏：二氧化碳中毒从轻度的头晕、头痛等轻微不适，中度的耳鸣、胸闷、呼吸急促，到重度的昏迷、窒息死亡等。

二、碳中和、碳排放、碳交易

现今社会温室气体的排放总量达到了临界值，生态环境难堪重负，已经造成气候变暖、水平面上升、物种灭绝等严重后果。如何进行碳的“收支平衡”，是当今社会，乃至全球关注的重点。它也带来了一系列新的指标、概念和市场。例如：碳中和、碳排放权、碳交易等。

碳中和是指企业、团体或个人测算在一定时间内，直接或间接产生的温室气体排放总量，通过植树造林、节能减排等形式，抵消自身产生的二氧化碳排放，从而实现二氧化碳的“零排放”。

根据《京都协议书》的要求，发达国家和发展中国家皆有各自的碳排放标准，也就是碳排放权，从而实现减排来达到保护生存环境的目的。

在排放总量控制的前提下，包括二氧化碳在内的温室气体排放权成为一种稀缺资源，从而具备了商品属性，碳交易是温室气体排放权交易的统称。

三、反演方法概述

虽然现今已有近168个关于二氧化碳排放监测站点，覆盖近60个国家，但是对二氧化碳的监测结果都是单点的局地测量，缺乏对区域大范围或全球范围统一的探测方法与能力，所以通过遥感卫星反演二氧化碳时解决这种局限性，是实现对全球变化研究的重要方法和技术手段。

通过软件实现GMI一级光谱数据反演CO2浓度

以高分五号卫星上的GMI一级光谱实测数据为例：

首先对GMI一级光谱数据进行量化处理处理，通过定标系数和辐亮度转换获得绝对辐亮度光谱数据。然后进行大气条件筛选和云污染去除。接着提取外部环境参数：地表反射率、大气参数、气溶胶光学厚度等。完成上述数据处理步骤，就可以进行模拟光谱计算以及光谱漂移校准，然后进行二氧化碳的反演计算。最后通过TCCON地基站点数据进行交叉核验，从定量和定性两方面进行对比分析。

前向模型训练

首先通过前向模型输入气象条件、表面特性和仪器特性等，再模拟太阳光谱、气体吸收、云层和气溶胶的散射和吸收、表面反射率等。前向模型返回模拟辐射光谱及其雅可比行列式。反演过程中使用雅可比矩阵来估计所需的状态参量，以最小化观测和模拟光谱之间的差异。通过修改假定的大气状态以改善对观测量光谱的拟合，并且重复该过程直到满足收敛条件。最后通过反演方法改变大气和表面状态的特性，使模拟和测量光谱之间的残差最小化，以此来获得XCO2。

在这里只介绍了部分二氧化碳的反演方法，随着科研的深入与进步，已经有很多种方式方法可以对二氧化碳进行反演分析。在这里就不一一列举了。

四、研究意义

开展二氧化碳的研究对人类生活发展具有巨大的影响作用，大气二氧化碳作为连接大气和陆地、海洋碳交换的主要媒介，在理解全球碳循环基本动力过程中占有重要位置。大气二氧化碳浓度增加与全球碳循环、地表碳源、碳汇变化存在着相互作用。深入研究我国碳源汇空间现状、二氧化碳浓度现状及生态系统碳循环过程、途径、方向和机制，不仅可以为有效控制温室气体的排放，认识和控制全球气候变化提供理论基础，而且对减少人类活动对全球气候变化的负面影响具有重要参考。

此外，据科学研究表明，由于陆地和海洋不同的生态系统，以及人类活动的影响。在夏季枝叶繁茂时陆地的光合作用吸收的二氧化碳远大于呼吸作用释放的二氧化碳，成为碳汇；在冬季寒冷时节，呼吸作用释放的二氧化碳大于光合作用，成为碳源。据统计，海洋中的碳库是大气的约50倍、是陆地生态系统的约20倍。因此合理，合理的海洋碳汇开发对于控制全球碳水平具有重要的意义，也是碳交易市场上最有潜力的资源。

二氧化碳对人类生活的影响是方方面面的，通过遥感卫星数据反演大区域范围的二氧化碳含量并结合地基监测数据，可以实现监控温室气体的排放，也可为制定气候相关政策提供坚实的理论基础。下一期，我们将给大家带来卫星遥感数据对水体和城市黑臭水体的识别。

来源：成都大数据产研院