《Ecological Frontiers》：Regional carbon neutrality and greenhouse gas monitoring of satellite sensing technology
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卫星遥感技术通过大规模、长周期观测为温室气体监测提供核心工具，其发展从被动光学到主动LiDAR结合AI反演方法，显著提升了全球、区域及点源尺度监测精度，但仍面临云干扰、模型依赖及数据标准化等挑战，需构建空天地一体化监测网络与混合物理-AI框架，以支撑巴黎协定下的碳核算与减排行动。
傅萍|蔡文强|欧梦琳|范欣|黄春波
中国地质大学地理与信息工程学院，武汉430074，中国
摘要
全球气候变化是一个关键的环境问题。凭借大规模、长期和独立的观测优势，卫星遥感已成为支持国家碳排放核算和全球气候治理的核心技术工具。该领域正从被动光学系统向主动激光雷达系统发展，并通过人工智能驱动的反演方法得到增强，从而提高了在全球、区域和点源尺度上检测温室气体的准确性和效率。然而，仍存在一些关键挑战。被动传感系统容易受到云层和气溶胶的干扰，而主动激光雷达在复杂大气条件下存在信号稳定性问题。反演方法严重依赖先验数据和模型，尤其是在城市和点源区域，不同卫星数据集之间的不一致性阻碍了可靠的排放通量估算。未来应优先建立综合的天地空监测系统，推进物理-人工智能混合反演框架，并推动数据验证和共享的国际标准。通过这些进步，卫星遥感可以发展成为一种透明、可靠的基础设施，用于追踪全球碳排放并指导《巴黎协定》下的气候行动。
引言
全球气候变化对全球可持续发展构成了严峻挑战。显著的全球变暖增加了极端高温、干旱和强降水事件的频率和强度，对生态系统和人类社会产生了重大影响。温室气体吸收并重新发射地球表面的长波辐射，是这种增强温室效应的主要驱动力[1]。大气中的主要温室气体包括二氧化碳（CO?）、甲烷（CH?）和一氧化二氮（N?O）（表1）。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告（AR6），2019年大气中的CO?浓度达到了至少200万年来的最高水平，而CH?和N?O的浓度则达到了至少80万年来的最高水平[2]。到2025年7月，全球CO?、CH?和N?O的浓度分别记录为424.19 ppm、1927.61 ppb和338.79 ppb[3]。人类活动——包括化石燃料燃烧、土地利用变化和工业排放——是温室气体浓度持续上升的主要原因[4]。减少人为温室气体排放对于遏制全球变暖和改善大气环境质量至关重要。这需要基于科学的策略和严格的有效性评估，特别是控制CO?和CH?的排放[5]。
在全球气候治理不足的背景下，温室气体监测变得越来越重要，因为减少排放仍然是遏制全球变暖最有效的方法。2015年的《巴黎协定》设定了通过国家自主贡献（NDCs）将升温限制在2°C的长期目标，并建立了全球盘点（GST）机制，标志着气候行动的一个关键转折点[6]。2020年9月，中国宣布了到2030年达到碳排放峰值并在2060年实现碳中和的目标。实现这些目标需要准确监测和科学评估温室气体排放[1]。自2021年COP26会议以来，GST已进入全面数据收集和技术评估阶段。2023年发布的GST技术对话全面评估了全球在减排、气候适应力和融资方面的进展。报告指出，尽管取得了一定进展，但到2030年仍存在203-239亿吨二氧化碳当量的巨大排放缺口，突显了仍存在的重大挑战[6]。
国家温室气体清单主要采用自下而上的方法（图1），该方法结合了部门活动数据和排放因子。尽管这种方法依赖于高质量的统计输入，但许多发展中国家仍缺乏完整的基础数据。此外，在量化土地利用变化、生态系统碳吸收以及火山爆发和野火等自然排放过程方面仍存在相当大的不确定性。虽然传统的地面观测网络具有高测量精度，但由于站点数量和分布的限制，其空间覆盖范围有限。在海洋、沙漠、极地和赤道地区的观测尤其稀缺，这阻碍了对全球温室气体源和汇的持续监测[7]。相比之下，卫星遥感提供了全球一致的高分辨率时空数据。其客观、透明且可重复的观测能够实现动态监测，并建立了真正的“全球测量标准”[6]。卫星观测将监测范围扩展到了地面网络的地理限制之外，为无人居住地区、海洋和高纬度地区提供了连续覆盖。它们现在已成为全球碳监测系统的重要组成部分[8]。诸如GOSAT、OCO-2、Sentinel-5P和TanSat等专用温室气体监测卫星的连续发射正在逐步形成一个全球卫星观测网络。该网络为碳监测研究、全球碳循环过程分析、气候变化评估和减排策略制定提供了关键数据[9]。
虽然现有综述广泛记录了被动光学温室气体卫星和传统物理反演方法的发展，但在两个新兴领域仍缺乏全面分析：集成路径差分吸收（IPDA）技术在昼夜监测中的实际应用，以及向人工智能驱动的反演工作流的系统转变。此外，尽管全球尺度观测已得到广泛讨论，但将卫星浓度数据与区域或城市尺度排放验证联系起来的技术路径需要更集中的讨论。因此，本综述系统地探讨了卫星遥感在温室气体监测及其应用方面的进展。它强调了当前监测和验证方法中的关键科学和技术挑战，并提出了未来的发展路径。该分析旨在为中国提高温室气体监测能力提供信息，支持碳中和评估，并为全球气候治理做出贡献。
部分摘录
温室气体观测平台的发展
全球气候治理的迫切需求加速了卫星遥感在温室气体监测方面的发展和部署。通过提供大规模、连续和客观的观测数据，卫星技术已从辅助工具转变为分析全球碳循环和评估气候变化的核心支柱[10]。其发展大致分为两个阶段：初步探索和技术积累（1970年代至2018年）
多尺度温室气体监测的实际应用
卫星遥感凭借其广泛的覆盖范围、频繁的 revisit 和客观性，支持了从全球背景浓度到局部点源的多尺度监测框架。随着温室气体监测技术向更高精度和连通性的发展，卫星遥感已成为改进碳核算系统、支持排放交易以及实现国家碳峰中和目标的核心工具[27]。本节温室气体遥感监测的关键挑战
尽管卫星遥感在支持GST方面显示出潜力，但从研究应用向操作性高精度监测的转变需要克服包括大气限制、模型不确定性和综合观测系统内协调不足在内的瓶颈。结论
过去二十年里，卫星遥感在温室气体监测方面取得了迅速进展，从实验性观测转变为在排放评估和环境治理中发挥越来越重要的作用。传感器技术、反演算法和数据融合方面的进步显著提高了在多样空间和时间尺度上监测温室气体浓度的能力。这些进步现在支持多种应用，包括生态系统碳汇
资金支持
本工作得到了广西社会科学科研项目（项目编号：25GLF086）、广西中青年教师科研基本能力提升项目（项目编号：2024KY0403）、国家社会科学基金（项目编号：22AGL027）和上海社会科学规划项目（项目编号：2023ZGL003）的资助。
CRediT作者贡献声明
傅萍：撰写——初稿，资源整理。蔡文强：撰写——初稿。欧梦琳：撰写——审稿与编辑，项目管理，概念构思。范欣：方法论。黄春波：项目管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
