《卫星对地观测下的海洋碳指标监测体系》征球意见稿

1卫星对地观测下的海洋碳指标监测体系本文件规定了卫星对地观测下的海洋碳指标体系和海洋碳指标遥感监测产品体系。本文件适用于采用卫星对地观测技术进行海洋生态系统碳监测相关遥感信息产品的业务化反演生产和海洋生态系统碳循环监测技术系统的建设，为海洋碳汇计量与监测提供量化依据。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T32453—2015卫星对地观测数据产品分类分级规则IPCC2006年国家温室气体清单指南IPCC2006年国家温室气体清单指南2019修订版3术语和定义3.1海洋碳汇croplandcarbonsink红树林、盐沼、海草床、浮游植物、大型藻类、贝类等从空气或海水中吸收并储存大气中的二氧化碳的过程、活动和机制。[来源：HY/T0349—2022]3.2红树林mangroves在热带和亚热带潮间带，以红树植物为主体的各种耐盐的乔木和灌木组成的潮滩湿地木本生物群落。[来源：GB/T15919—2010，5.52，有修改]3.3光合有效辐射吸收比例fractionofabsorbedphotosyntheticallyactiveradiation与植被结构有关的冠层光学参数，太阳入射光和有效辐射被植被冠层拦截并吸收的比例。3.4盐沼saltmarsh分布在河口或海滨浅滩含有大量盐分的湿地。[来源：GB/T15919—2010，5.55]3.5海草床seagrassbed中、低纬度海域潮间带中、下区和低潮线以下浅水区海生显花植物（海草）和草栖动物繁茂的平坦软相地带。[来源：GB/T15919—2010，5.56，有修改]23.6浮游植物phytoplankton生活于水域上层、自养性的浮游生物。[来源：GB/T15919—2010，4.16]3.7海洋碳汇经济价值economicvalueofoceancarbonsink海洋碳汇提供的物质性产品和环境调节服务的市场价值，即海洋生态系统服务价值中的海洋供给服务价值和海洋调节服务价值。4缩略语下列缩略语适用于本文件：HS：高光谱数据产品（HyperspectralDataProduct）IPCC：联合国政府间气候变化专门委员会（IntergovernmentalPanelonClimateChange）LIDAR：激光雷达数据产品（LightDetectionandRanging）MS：多光谱数据产品（MultispectralDataProduct）POC：颗粒有机碳（ParticulateOrganicCarbon）SAR：合成孔径雷达（SyntheticApertureRadar）5监测体系分级原则依据GB/T32453—2015《卫星对地观测数据产品分类分级规则》第5章对地观测数据分类分级原则，结合碳中和背景下的海洋遥感碳指标监测需求，制定以下体系分级原则：a）科学性：监测指标的设计和产品体系的划分符合国家有关海洋经营碳汇等方法学、标准在内的碳源汇分类科学体系，并能反应卫星遥感数据应用对类别和级别划分的客观需求，符合已经发布的国家标准和国际标准。分级结构清晰，能反映不同级别产品之间的内在特征与联系。b）可扩展性：体系制定首先考虑目前使用广泛、可标准化程度高的主流遥感监测产品，同时还应考虑未来一定时期出现的新类别、级别可能性，应具备可扩展性。c）实用性：分级设置应简洁明确，易于操作并为各类用户所接收和使用。d）兼容性：应能够与现行使用的国际温室气体排放分类、国内外遥感卫星数据分级规则建立明确的映射关系，能方便地与内国外相关分类分级方案接轨。6卫星对地观测下的海洋碳指标监测体系根据碳中和核算要素分为海洋温室气体排放源碳源监测指标、海洋生态系统碳通量和碳储量监测指标，以及海洋生态系统碳循环模型输入参数三个一级指标。在一级指标的基础上，依据碳源汇目标地物或要素能够利用遥感卫星对地观测技术手段监测可获得性原则进行二级指标的划分。根据《IPCC2006年国家温室气体清单指南2019修订版》、定量衡量海洋生态系统碳通量大小的参数指标和影响决定海洋生态系统碳通量变化的影响因子等参数设置二级监测3指标。其中，海洋温室气体排放源碳源监测指标主要为二氧化碳、甲烷、氧化亚氮；海洋生态系统碳通量和碳储量监测指标为海洋生态系统碳循环的直接指数；海洋生态系统碳循环模型输入参数为海洋生态系统碳循环的模型变量。卫星对地观测下的海洋碳指标监测体系见表1。4表1卫星对地观测下的海洋碳指标监测体系7卫星对地观测下的海洋碳指标遥感监测产品体系对应表1中的二级指标，构建卫星对地观测下的海洋碳指标遥感监测产品体系，对应的碳指标监测产品、产品类别、对应卫星数据和传感器主要参数、辅助数据及计算方法见表2，依托附录A空天地一体化海洋碳指标监测技术体系框架标准化生产相关数据产品。其中，根据GB/T32453—2015《卫星对地观测数据产品分类分级规则》中6.2.2和6.2.4确定各产品的类别及类别标识，便于标准化生产及交换共享。5表2卫星对地观测下的海洋碳指标遥感监测产品体系卫星对地观测原始数据及传感主高光谱遥感数据，空间分辨率优利用辅助数据进行气体浓度校核和空间插值计算，估算目标海洋区域温室气体浓度和排放总量，基于全球变暖潜值结合高精度辐射传输模拟计算，度红树林地上多光谱遥感数据，空间分辨率优高分辨多波束线性体制的激光测号卫星反演的红树林区域地面高程和植被冠层高度和冠层覆盖面积数据信息，以及基于异速生长理论的异速生长方程估算红树林地上生物量的空间海水颗粒有多光谱遥感数据，空间分辨率优数回归分析，从而选择了包含MBR-OC4和BRDI两海洋初级生多光谱遥感数据，空间分辨率优利用遥感水色数据和海面实地测量数据反演海洋表层叶绿素浓度信息，在此基础上建立了三种算法模式分别是经验算法、理论算法以及遥感算法，海水溶解无多光谱遥感数据，空间分辨率优的化学、生物和物理海洋值，通过所需输出变量的关联、聚类和预测来反6表2卫星对地观测下的海洋碳指标遥感监测产品体系（续）卫星对地观测原始数据及传感主溶解有机碳多光谱产多光谱遥感监测，空间分辨率优利用叶绿素、黄色物质和无机悬浮颗粒等要素对海水光谱反射率的影响，利用主成分分析方法，通过对光谱反射率数据的特征向量变换和主因子回海水二氧化高光谱产高光谱遥感数据，空间分辨率优基于表层大洋二氧化碳地图（SOCAT）的海水表层二氧化碳逸度（fCO）数据集和遥感卫星等多源数据，利用XGBoost模型建立了海水表层二氧化碳分压值与海洋物理、生物、光学等要素的非线性关系，并根据样本时空光合有效辐多光谱产多光谱遥感监测，空间分辨率优基于遥感植被指数，构建光合有效辐射吸收比例高光谱产高光谱遥感数据，空间分辨率优统量的pH训练数据集和机器学习方法构建基于MODIS-Aqua数据p反演模型。在对机器学习方法和输入参数组进行多次测试后，选择了具有合成孔径星载微波散射计监测，能够提供利用星载SAR中特定波段海面风场遥感图像构建多种SAR海面风速反演模海表层水叶高光谱产高光谱遥感数据，空间分辨率优利用辅助数据得到海水表层叶绿素浓度和遥感反射率实测数据，基于经验算法和荧光基线高度法的回归分析，对海水表层叶绿素浓度进行遥感定量反演，再通过特定区域的样本数据对定量反演7表2卫星对地观测下的海洋碳指标遥感监测产品体系（续）卫星对地观测原始数据及传感海水总碱度利用采样得到的辅助数据进行化学滴定法的实验，根据碱两者充分反应并达到相应滴定终点时，根据两者化学计量关根据水下光辐射传输理论及对比度传输理论，建立海水透明度的半分析定量遥感模式，利用海量辅助数据产出的透明度资料对该模式进行模式及相关的seaWiFS卫星资料反演得到各海域的海水透明度。基于深度学习方法结合浮标和多源海表卫星数据，对全球），持。基于重构数据集分析海洋温度在不同尺度和洋盆的时分析其在多个维度的时序变化，探讨其在海洋热量再首先对辅助数据进行预处理，然后对Klein-Shif通过测定发射脉冲与接收脉冲之间的时间延迟，获得海面面的点位高程值。同时，为了改善瞬时海面高度的算法、Threshold算法、参数模型算利用主成分分析法于各波段辐射率数据集进行主成分分析总方差的贡献率的大小，确定各因子对水体组成要素反演的影传感器测量的大气顶部的光谱数据作为反演的初值，得到大气8（规范性）空天地一体化海洋碳指标监测技术体系框架A.1空天地一体化观测系统卫星遥感观测在碳源/汇核查方面发挥重要作用。我国于2016年发射了第一颗二氧化碳监测科学实验卫星，又陆续发射风云三号D星、高分五号大气成分监测卫星和高分六号卫星。“十三五”时期，我国自主发展由HY-1B、HY-1C、HY-1D、HY-2B、HY-2C、HY-2D、中法海洋卫星7个星座组成的全球海洋立体观测网，覆盖海洋水色、海洋动力、海洋监视和监测三大系列的遥感卫星系统，逐步形成多种观测技术优化组合的全球海洋观测与数据获取能力。后续将开展国家海洋环境实时在线监控系统、海外观测站点建设，建成全球海洋立体观测系统。围绕碳达峰、碳中和实施过程中海洋碳汇计量监测和建立体现海洋碳汇价值的生态保护补偿机制的核心需求，建议发展利用卫星、飞艇浮空器、无人机与全球海气界面观测网、深远海水体观测网和深远海海底观测网在线监测空天地一体化立体监测技术，研究“自上而下”的海洋生态系统碳源汇监测系统，提供高分辨率的海洋生态系统碳通量同化数据。A.2海洋生态系统碳循环过程模型通过模拟海洋生态系统碳循环的过程和机制，提供网格化碳通量变化估计，从而定量划分不同驱动因素对海洋碳汇变化的贡献，并预测其未来变化。具体包括以下方面：a）发展遥感大数据驱动的海洋生态系统碳通量估算方法，建立海洋生态系统碳循环关键参量高时频、高精度、全要素海洋生态系统碳源汇核算服务平台，建设海洋碳汇监测评估体系，全面量化边界组织区域内的碳汇指数。b）开发人类-自然耦合海洋生态系统碳循环过程模型，建立海洋生态系统碳循环参数数据库，提高模型模拟精度，以准确预测中国海洋生态系统的碳汇潜力。A.3综合应用在空天地一体化观测系统和海洋生态系统碳循环过程模型的支持下，利用卫星对地观测下的海洋碳指标遥感监测产品开展海洋碳汇综合应用。包括以下方面：a）规范碳汇项目开发，推进红树林造林/再造林碳汇项目计量与监测工作的开展，确保项目产生的碳汇可测量、可报告和可核查。b）进行情景模拟和决策分析，通过设置不同的碳中和目标约束（如何减排、如何增汇等得到最有效、最合理的碳中和路径，为寻找碳中和最优科学路径提供强有力的技术和工具支持。c）管理海洋资源数据，掌握现有海岸带蓝碳状况，选择合适的海洋经营方法，保护海洋，有效解决海洋经营管理成效评价和干扰监测的问题。9d）开展海洋经营碳普惠，实行“海洋险+碳汇贷”模式，通过碳汇“未来收益权+保险单”质押贷款方式，以预期碳汇价值的保单为质押，根据海洋碳汇未来收益权价值及保险保额确定授信额度，构建以绿色金融为支撑的“低碳”发展机制。（资料性）遥感碳中和监测原理及优势B.1遥感监测原理碳排放遥感监测方面：主被动卫星遥感观测大气二氧化碳都是基于碳分子在红外波段的光谱特性。红外吸收光谱反映了红外辐射分子之间的相互作用，即分子由于吸收或反射而引起的振动和旋转状态变化。就大气而言，其主要成分N2和O2在红外（IR）区域是弱吸收体，而痕量气体如CO2、H2O或CH4是有效的吸收体，导致地球温度升高。只有在分子具有改变它们在跃迁期间的偶极矩的能力时，红外辐射的吸收才会发生。目前GOSAT卫星和OCO-2卫星所使用的反演算法都是利用近红外辐射光谱数据获得廓线浓度加权的柱二氧化碳干空气混合比XCO2。反演算法的主要组成是前向模型、反演方法和误差分析。碳吸收遥感监测方面：遥感技术在获取大尺度海表参数等方面具有独特的优势，并且可以从遥感影像上获取到重要的海表要素信息和环境参数，包含了初级生产力、海洋界面的无机碳碳通量有机碳碳储量等宏观参数，此外还可获取海面风场、浪场、海面高度场、海表温度、海洋水色要素信息以及海岛、海岸带环境信息，南北极冰盖、海冰、海岸带植被变化等参数。通过遥感反演获取这些物理参数，可直接作为海洋生态系统模型的驱动变量或参量，结合遥感影像上获取的海洋动力环境动态信息进行碳汇的研究。我国海洋卫星体系已初步建成，星-地系统进入业务化运行阶段。多载荷、多时空分辨率遥感影像数据和要素产品的数据量激增，海洋卫星遥感迎来了大数据时代。海洋卫星遥感数据挖掘、不同时空尺度数据融合、多源卫星数据可视化表达、大数据抽取与截取、大数据传输以及遥感数据与其他数据的同化融合。海洋卫星多种类多数量组网后，可实现全天候、全球观测，获得高频次、周期性、长期、近实时的全球多尺度多要素海洋信息，且不受地理位置和人为条件限制。B.2遥感监测优势传统的海洋碳源汇计算主要依赖于航次调查数据、定点观测数据、海洋模式输出数据、海岸带数据和科研项目数据等方法，但这些方法都存在很大的局限性，比如航线观测的时空分布不均匀，空间样本有限且耗费巨大等问题。目前，全球监测海洋观测网络站点不足，并且海域分布很不均匀，大多分布在北半球海洋和沿海海域。虽然观测站点数量仍在不断扩展中，但是其有限的空间代表性，导致定量理解海-气气体的源汇分布仍存在较大问题。卫星遥感资料可以获得全球和区域的温室气体和海洋碳汇分布，具有稳定、长时间序列、广空间区域等优点，有助于提高对碳源汇和气候变化的认识。自本世纪，国内外相继发射了多颗采用短波红外吸收带作为探测波段的星载温室气体探测器，随着探测仪指标和反演方法的不断改进，探测的环境参数种类将越来越多，精度也将逐步提高。通过发展先进的定量遥感技术，也推进我国自主的天基碳监测体系规划和系统论证，结合多尺度、多维度各型卫星系统，分阶段部署、组网运行，协同服务“双碳”监测整体目标。基于卫星对地观测技术进行双碳相关遥感信息产品的反演，包括碳源（二氧化碳、甲烷等）和海洋碳汇监测指标体系的建立和指标的精准量化，为碳交易宏观监测提供量化依据。（资料性）国内外主要碳源碳汇监测常用卫星的主要参数目前国内外主要碳源碳汇监测常用卫星参数见表C.1。表C.1国内外主要碳源碳汇监测常用卫星参数2星大气一号------ AVHRR（资料性）目前国内外海洋卫星参数目前国内外主要海洋卫星参数见表D.1。表D.1国内外主要碳卫