1衛(wèi)星對地觀測下的海洋碳指標監(jiān)測體系本文件規(guī)定了衛(wèi)星對地觀測下的海洋碳指標體系和海洋碳指標遙感監(jiān)測產(chǎn)品體系。本文件適用于采用衛(wèi)星對地觀測技術(shù)進行海洋生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測相關(guān)遙感信息產(chǎn)品的業(yè)務(wù)化反演生產(chǎn)和海洋生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)的建設(shè)，為海洋碳匯計量與監(jiān)測提供量化依據(jù)。2規(guī)范性引用文件下列文件對于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅所注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T32453—2015衛(wèi)星對地觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)品分類分級規(guī)則IPCC2006年國家溫室氣體清單指南IPCC2006年國家溫室氣體清單指南2019修訂版3術(shù)語和定義3.1海洋碳匯croplandcarbonsink紅樹林、鹽沼、海草床、浮游植物、大型藻類、貝類等從空氣或海水中吸收并儲存大氣中的二氧化碳的過程、活動和機制。[來源：HY/T0349—2022]3.2紅樹林mangroves在熱帶和亞熱帶潮間帶，以紅樹植物為主體的各種耐鹽的喬木和灌木組成的潮灘濕地木本生物群落。[來源：GB/T15919—2010，5.52，有修改]3.3光合有效輻射吸收比例fractionofabsorbedphotosyntheticallyactiveradiation與植被結(jié)構(gòu)有關(guān)的冠層光學(xué)參數(shù)，太陽入射光和有效輻射被植被冠層攔截并吸收的比例。3.4鹽沼saltmarsh分布在河口或海濱淺灘含有大量鹽分的濕地。[來源：GB/T15919—2010，5.55]3.5海草床seagrassbed中、低緯度海域潮間帶中、下區(qū)和低潮線以下淺水區(qū)海生顯花植物（海草）和草棲動物繁茂的平坦軟相地帶。[來源：GB/T15919—2010，5.56，有修改]23.6浮游植物phytoplankton生活于水域上層、自養(yǎng)性的浮游生物。[來源：GB/T15919—2010，4.16]3.7海洋碳匯經(jīng)濟價值economicvalueofoceancarbonsink海洋碳匯提供的物質(zhì)性產(chǎn)品和環(huán)境調(diào)節(jié)服務(wù)的市場價值，即海洋生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值中的海洋供給服務(wù)價值和海洋調(diào)節(jié)服務(wù)價值。4縮略語下列縮略語適用于本文件：HS：高光譜數(shù)據(jù)產(chǎn)品（HyperspectralDataProduct）IPCC：聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IntergovernmentalPanelonClimateChange）LIDAR：激光雷達數(shù)據(jù)產(chǎn)品（LightDetectionandRanging）MS：多光譜數(shù)據(jù)產(chǎn)品（MultispectralDataProduct）POC：顆粒有機碳（ParticulateOrganicCarbon）SAR：合成孔徑雷達（SyntheticApertureRadar）5監(jiān)測體系分級原則依據(jù)GB/T32453—2015《衛(wèi)星對地觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)品分類分級規(guī)則》第5章對地觀測數(shù)據(jù)分類分級原則，結(jié)合碳中和背景下的海洋遙感碳指標監(jiān)測需求，制定以下體系分級原則：a）科學(xué)性：監(jiān)測指標的設(shè)計和產(chǎn)品體系的劃分符合國家有關(guān)海洋經(jīng)營碳匯等方法學(xué)、標準在內(nèi)的碳源匯分類科學(xué)體系，并能反應(yīng)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用對類別和級別劃分的客觀需求，符合已經(jīng)發(fā)布的國家標準和國際標準。分級結(jié)構(gòu)清晰，能反映不同級別產(chǎn)品之間的內(nèi)在特征與聯(lián)系。b）可擴展性：體系制定首先考慮目前使用廣泛、可標準化程度高的主流遙感監(jiān)測產(chǎn)品，同時還應(yīng)考慮未來一定時期出現(xiàn)的新類別、級別可能性，應(yīng)具備可擴展性。c）實用性：分級設(shè)置應(yīng)簡潔明確，易于操作并為各類用戶所接收和使用。d）兼容性：應(yīng)能夠與現(xiàn)行使用的國際溫室氣體排放分類、國內(nèi)外遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)分級規(guī)則建立明確的映射關(guān)系，能方便地與內(nèi)國外相關(guān)分類分級方案接軌。6衛(wèi)星對地觀測下的海洋碳指標監(jiān)測體系根據(jù)碳中和核算要素分為海洋溫室氣體排放源碳源監(jiān)測指標、海洋生態(tài)系統(tǒng)碳通量和碳儲量監(jiān)測指標，以及海洋生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型輸入?yún)?shù)三個一級指標。在一級指標的基礎(chǔ)上，依據(jù)碳源匯目標地物或要素能夠利用遙感衛(wèi)星對地觀測技術(shù)手段監(jiān)測可獲得性原則進行二級指標的劃分。根據(jù)《IPCC2006年國家溫室氣體清單指南2019修訂版》、定量衡量海洋生態(tài)系統(tǒng)碳通量大小的參數(shù)指標和影響決定海洋生態(tài)系統(tǒng)碳通量變化的影響因子等參數(shù)設(shè)置二級監(jiān)測3指標。其中，海洋溫室氣體排放源碳源監(jiān)測指標主要為二氧化碳、甲烷、氧化亞氮；海洋生態(tài)系統(tǒng)碳通量和碳儲量監(jiān)測指標為海洋生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的直接指數(shù)；海洋生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型輸入?yún)?shù)為海洋生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的模型變量。衛(wèi)星對地觀測下的海洋碳指標監(jiān)測體系見表1。4表1衛(wèi)星對地觀測下的海洋碳指標監(jiān)測體系7衛(wèi)星對地觀測下的海洋碳指標遙感監(jiān)測產(chǎn)品體系對應(yīng)表1中的二級指標，構(gòu)建衛(wèi)星對地觀測下的海洋碳指標遙感監(jiān)測產(chǎn)品體系，對應(yīng)的碳指標監(jiān)測產(chǎn)品、產(chǎn)品類別、對應(yīng)衛(wèi)星數(shù)據(jù)和傳感器主要參數(shù)、輔助數(shù)據(jù)及計算方法見表2，依托附錄A空天地一體化海洋碳指標監(jiān)測技術(shù)體系框架標準化生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)產(chǎn)品。其中，根據(jù)GB/T32453—2015《衛(wèi)星對地觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)品分類分級規(guī)則》中6.2.2和6.2.4確定各產(chǎn)品的類別及類別標識，便于標準化生產(chǎn)及交換共享。5表2衛(wèi)星對地觀測下的海洋碳指標遙感監(jiān)測產(chǎn)品體系衛(wèi)星對地觀測原始數(shù)據(jù)及傳感主高光譜遙感數(shù)據(jù)，空間分辨率優(yōu)利用輔助數(shù)據(jù)進行氣體濃度校核和空間插值計算，估算目標海洋區(qū)域溫室氣體濃度和排放總量，基于全球變暖潛值結(jié)合高精度輻射傳輸模擬計算，度紅樹林地上多光譜遙感數(shù)據(jù)，空間分辨率優(yōu)高分辨多波束線性體制的激光測號衛(wèi)星反演的紅樹林區(qū)域地面高程和植被冠層高度和冠層覆蓋面積數(shù)據(jù)信息，以及基于異速生長理論的異速生長方程估算紅樹林地上生物量的空間海水顆粒有多光譜遙感數(shù)據(jù)，空間分辨率優(yōu)數(shù)回歸分析，從而選擇了包含MBR-OC4和BRDI兩海洋初級生多光譜遙感數(shù)據(jù)，空間分辨率優(yōu)利用遙感水色數(shù)據(jù)和海面實地測量數(shù)據(jù)反演海洋表層葉綠素濃度信息，在此基礎(chǔ)上建立了三種算法模式分別是經(jīng)驗算法、理論算法以及遙感算法，海水溶解無多光譜遙感數(shù)據(jù)，空間分辨率優(yōu)的化學(xué)、生物和物理海洋值，通過所需輸出變量的關(guān)聯(lián)、聚類和預(yù)測來反6表2衛(wèi)星對地觀測下的海洋碳指標遙感監(jiān)測產(chǎn)品體系（續(xù)）衛(wèi)星對地觀測原始數(shù)據(jù)及傳感主溶解有機碳多光譜產(chǎn)多光譜遙感監(jiān)測，空間分辨率優(yōu)利用葉綠素、黃色物質(zhì)和無機懸浮顆粒等要素對海水光譜反射率的影響，利用主成分分析方法，通過對光譜反射率數(shù)據(jù)的特征向量變換和主因子回海水二氧化高光譜產(chǎn)高光譜遙感數(shù)據(jù)，空間分辨率優(yōu)基于表層大洋二氧化碳地圖（SOCAT）的海水表層二氧化碳逸度（fCO）數(shù)據(jù)集和遙感衛(wèi)星等多源數(shù)據(jù)，利用XGBoost模型建立了海水表層二氧化碳分壓值與海洋物理、生物、光學(xué)等要素的非線性關(guān)系，并根據(jù)樣本時空光合有效輻多光譜產(chǎn)多光譜遙感監(jiān)測，空間分辨率優(yōu)基于遙感植被指數(shù)，構(gòu)建光合有效輻射吸收比例高光譜產(chǎn)高光譜遙感數(shù)據(jù)，空間分辨率優(yōu)統(tǒng)量的pH訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和機器學(xué)習(xí)方法構(gòu)建基于MODIS-Aqua數(shù)據(jù)p反演模型。在對機器學(xué)習(xí)方法和輸入?yún)?shù)組進行多次測試后，選擇了具有合成孔徑星載微波散射計監(jiān)測，能夠提供利用星載SAR中特定波段海面風(fēng)場遙感圖像構(gòu)建多種SAR海面風(fēng)速反演模海表層水葉高光譜產(chǎn)高光譜遙感數(shù)據(jù)，空間分辨率優(yōu)利用輔助數(shù)據(jù)得到海水表層葉綠素濃度和遙感反射率實測數(shù)據(jù)，基于經(jīng)驗算法和熒光基線高度法的回歸分析，對海水表層葉綠素濃度進行遙感定量反演，再通過特定區(qū)域的樣本數(shù)據(jù)對定量反演7表2衛(wèi)星對地觀測下的海洋碳指標遙感監(jiān)測產(chǎn)品體系（續(xù)）衛(wèi)星對地觀測原始數(shù)據(jù)及傳感海水總堿度利用采樣得到的輔助數(shù)據(jù)進行化學(xué)滴定法的實驗，根據(jù)堿兩者充分反應(yīng)并達到相應(yīng)滴定終點時，根據(jù)兩者化學(xué)計量關(guān)根據(jù)水下光輻射傳輸理論及對比度傳輸理論，建立海水透明度的半分析定量遙感模式，利用海量輔助數(shù)據(jù)產(chǎn)出的透明度資料對該模式進行模式及相關(guān)的seaWiFS衛(wèi)星資料反演得到各海域的海水透明度。基于深度學(xué)習(xí)方法結(jié)合浮標和多源海表衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對全球），持?；谥貥?gòu)數(shù)據(jù)集分析海洋溫度在不同尺度和洋盆的時分析其在多個維度的時序變化，探討其在海洋熱量再首先對輔助數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，然后對Klein-Shif通過測定發(fā)射脈沖與接收脈沖之間的時間延遲，獲得海面面的點位高程值。同時，為了改善瞬時海面高度的算法、Threshold算法、參數(shù)模型算利用主成分分析法于各波段輻射率數(shù)據(jù)集進行主成分分析總方差的貢獻率的大小，確定各因子對水體組成要素反演的影傳感器測量的大氣頂部的光譜數(shù)據(jù)作為反演的初值，得到大氣8（規(guī)范性）空天地一體化海洋碳指標監(jiān)測技術(shù)體系框架A.1空天地一體化觀測系統(tǒng)衛(wèi)星遙感觀測在碳源/匯核查方面發(fā)揮重要作用。我國于2016年發(fā)射了第一顆二氧化碳監(jiān)測科學(xué)實驗衛(wèi)星，又陸續(xù)發(fā)射風(fēng)云三號D星、高分五號大氣成分監(jiān)測衛(wèi)星和高分六號衛(wèi)星?！笆濉睍r期，我國自主發(fā)展由HY-1B、HY-1C、HY-1D、HY-2B、HY-2C、HY-2D、中法海洋衛(wèi)星7個星座組成的全球海洋立體觀測網(wǎng)，覆蓋海洋水色、海洋動力、海洋監(jiān)視和監(jiān)測三大系列的遙感衛(wèi)星系統(tǒng)，逐步形成多種觀測技術(shù)優(yōu)化組合的全球海洋觀測與數(shù)據(jù)獲取能力。后續(xù)將開展國家海洋環(huán)境實時在線監(jiān)控系統(tǒng)、海外觀測站點建設(shè)，建成全球海洋立體觀測系統(tǒng)。圍繞碳達峰、碳中和實施過程中海洋碳匯計量監(jiān)測和建立體現(xiàn)海洋碳匯價值的生態(tài)保護補償機制的核心需求，建議發(fā)展利用衛(wèi)星、飛艇浮空器、無人機與全球海氣界面觀測網(wǎng)、深遠海水體觀測網(wǎng)和深遠海海底觀測網(wǎng)在線監(jiān)測空天地一體化立體監(jiān)測技術(shù)，研究“自上而下”的海洋生態(tài)系統(tǒng)碳源匯監(jiān)測系統(tǒng)，提供高分辨率的海洋生態(tài)系統(tǒng)碳通量同化數(shù)據(jù)。A.2海洋生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程模型通過模擬海洋生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的過程和機制，提供網(wǎng)格化碳通量變化估計，從而定量劃分不同驅(qū)動因素對海洋碳匯變化的貢獻，并預(yù)測其未來變化。具體包括以下方面：a）發(fā)展遙感大數(shù)據(jù)驅(qū)動的海洋生態(tài)系統(tǒng)碳通量估算方法，建立海洋生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)關(guān)鍵參量高時頻、高精度、全要素海洋生態(tài)系統(tǒng)碳源匯核算服務(wù)平臺，建設(shè)海洋碳匯監(jiān)測評估體系，全面量化邊界組織區(qū)域內(nèi)的碳匯指數(shù)。b）開發(fā)人類-自然耦合海洋生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程模型，建立海洋生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)參數(shù)數(shù)據(jù)庫，提高模型模擬精度，以準確預(yù)測中國海洋生態(tài)系統(tǒng)的碳匯潛力。A.3綜合應(yīng)用在空天地一體化觀測系統(tǒng)和海洋生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程模型的支持下，利用衛(wèi)星對地觀測下的海洋碳指標遙感監(jiān)測產(chǎn)品開展海洋碳匯綜合應(yīng)用。包括以下方面：a）規(guī)范碳匯項目開發(fā)，推進紅樹林造林/再造林碳匯項目計量與監(jiān)測工作的開展，確保項目產(chǎn)生的碳匯可測量、可報告和可核查。b）進行情景模擬和決策分析，通過設(shè)置不同的碳中和目標約束（如何減排、如何增匯等得到最有效、最合理的碳中和路徑，為尋找碳中和最優(yōu)科學(xué)路徑提供強有力的技術(shù)和工具支持。c）管理海洋資源數(shù)據(jù)，掌握現(xiàn)有海岸帶藍碳狀況，選擇合適的海洋經(jīng)營方法，保護海洋，有效解決海洋經(jīng)營管理成效評價和干擾監(jiān)測的問題。9d）開展海洋經(jīng)營碳普惠，實行“海洋險+碳匯貸”模式，通過碳匯“未來收益權(quán)+保險單”質(zhì)押貸款方式，以預(yù)期碳匯價值的保單為質(zhì)押，根據(jù)海洋碳匯未來收益權(quán)價值及保險保額確定授信額度，構(gòu)建以綠色金融為支撐的“低碳”發(fā)展機制。（資料性）遙感碳中和監(jiān)測原理及優(yōu)勢B.1遙感監(jiān)測原理碳排放遙感監(jiān)測方面：主被動衛(wèi)星遙感觀測大氣二氧化碳都是基于碳分子在紅外波段的光譜特性。紅外吸收光譜反映了紅外輻射分子之間的相互作用，即分子由于吸收或反射而引起的振動和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)變化。就大氣而言，其主要成分N2和O2在紅外（IR）區(qū)域是弱吸收體，而痕量氣體如CO2、H2O或CH4是有效的吸收體，導(dǎo)致地球溫度升高。只有在分子具有改變它們在躍遷期間的偶極矩的能力時，紅外輻射的吸收才會發(fā)生。目前GOSAT衛(wèi)星和OCO-2衛(wèi)星所使用的反演算法都是利用近紅外輻射光譜數(shù)據(jù)獲得廓線濃度加權(quán)的柱二氧化碳干空氣混合比XCO2。反演算法的主要組成是前向模型、反演方法和誤差分析。碳吸收遙感監(jiān)測方面：遙感技術(shù)在獲取大尺度海表參數(shù)等方面具有獨特的優(yōu)勢，并且可以從遙感影像上獲取到重要的海表要素信息和環(huán)境參數(shù)，包含了初級生產(chǎn)力、海洋界面的無機碳碳通量有機碳碳儲量等宏觀參數(shù)，此外還可獲取海面風(fēng)場、浪場、海面高度場、海表溫度、海洋水色要素信息以及海島、海岸帶環(huán)境信息，南北極冰蓋、海冰、海岸帶植被變化等參數(shù)。通過遙感反演獲取這些物理參數(shù)，可直接作為海洋生態(tài)系統(tǒng)模型的驅(qū)動變量或參量，結(jié)合遙感影像上獲取的海洋動力環(huán)境動態(tài)信息進行碳匯的研究。我國海洋衛(wèi)星體系已初步建成，星-地系統(tǒng)進入業(yè)務(wù)化運行階段。多載荷、多時空分辨率遙感影像數(shù)據(jù)和要素產(chǎn)品的數(shù)據(jù)量激增，海洋衛(wèi)星遙感迎來了大數(shù)據(jù)時代。海洋衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)挖掘、不同時空尺度數(shù)據(jù)融合、多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)可視化表達、大數(shù)據(jù)抽取與截取、大數(shù)據(jù)傳輸以及遙感數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)的同化融合。海洋衛(wèi)星多種類多數(shù)量組網(wǎng)后，可實現(xiàn)全天候、全球觀測，獲得高頻次、周期性、長期、近實時的全球多尺度多要素海洋信息，且不受地理位置和人為條件限制。B.2遙感監(jiān)測優(yōu)勢傳統(tǒng)的海洋碳源匯計算主要依賴于航次調(diào)查數(shù)據(jù)、定點觀測數(shù)據(jù)、海洋模式輸出數(shù)據(jù)、海岸帶數(shù)據(jù)和科研項目數(shù)據(jù)等方法，但這些方法都存在很大的局限性，比如航線觀測的時空分布不均勻，空間樣本有限且耗費巨大等問題。目前，全球監(jiān)測海洋觀測網(wǎng)絡(luò)站點不足，并且海域分布很不均勻，大多分布在北半球海洋和沿海海域。雖然觀測站點數(shù)量仍在不斷擴展中，但是其有限的空間代表性，導(dǎo)致定量理解海-氣氣體的源匯分布仍存在較大問題。衛(wèi)星遙感資料可以獲得全球和區(qū)域的溫室氣體和海洋碳匯分布，具有穩(wěn)定、長時間序列、廣空間區(qū)域等優(yōu)點，有助于提高對碳源匯和氣候變化的認識。自本世紀，國內(nèi)外相繼發(fā)射了多顆采用短波紅外吸收帶作為探測波段的星載溫室氣體探測器，隨著探測儀指標和反演方法的不斷改進，探測的環(huán)境參數(shù)種類將越來越多，精度也將逐步提高。通過發(fā)展先進的定量遙感技術(shù)，也推進我國自主的天基碳監(jiān)測體系規(guī)劃和系統(tǒng)論證，結(jié)合多尺度、多維度各型衛(wèi)星系統(tǒng)，分階段部署、組網(wǎng)運行，協(xié)同服務(wù)“雙碳”監(jiān)測整體目標。基于衛(wèi)星對地觀測技術(shù)進行雙碳相關(guān)遙感信息產(chǎn)品的反演，包括碳源（二氧化碳、甲烷等）和海洋碳匯監(jiān)測指標體系的建立和指標的精準量化，為碳交易宏觀監(jiān)測提供量化依據(jù)。（資料性）國內(nèi)外主要碳源碳匯監(jiān)測常用衛(wèi)星的主要參數(shù)目前國內(nèi)外主要碳源碳匯監(jiān)測常用衛(wèi)星參數(shù)見表C.1。表C.1國內(nèi)外主要碳源碳匯監(jiān)測常用衛(wèi)星參數(shù)2星大氣一號------ AVHRR（資料性）目前國內(nèi)外海洋衛(wèi)星參數(shù)目前國內(nèi)外主要海洋衛(wèi)星參數(shù)見表D.1。表D.1國內(nèi)外主要碳衛(wèi)