“碳中和”为何需要时空大数据？

“碳中和”缘何站上风口？

《自然》研究指出：15个已知的全球气候临界点，已有9个被激活。气候变化让人类站在了事关自身命运存亡的历史关头。如果不加以干预，本世纪末全球气温将上升5℃以上，粮食将减产50%，多达75%的物种将面临灭绝，极端气候现象频发。

红色为气候临界点，几乎遍布全球。| 制图编辑：超擎时空

通常意义上来看，人为活动的“碳排放”被认为是气候变化的主要诱因，也就是平时我们所说的“温室气体”，其包括二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄），氧化亚氮（N₂O）、氢氟碳化物（HFCs）、全氟化碳（PFCs）和六氟化硫（SF₆）等。目前，全球每年向大气中排放大约510亿吨温室气体，历史总体呈上升趋势。

为遏制全球变暖的严峻趋势，作为高速发展的碳排放大国，2020年9月22日，中国国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布：中国力争二氧化碳排放在 2030 年前达到峰值，2060 年前实现碳中和。实现“双碳”目标，也将为我国在可持续发展、直接经济促进和国家能源安全上带来切实利益。

相比碳达峰，碳中和对二氧化碳绝对量下降的要求更高，实现的挑战也更为严峻。| 国家电网

全球都在行动。目前已有127个国家承诺碳中和，这些国家的温室气体排放量占全球排放的50%，经济总量在全球的占比超过40%。欧盟和美国都表示在2050年实现碳中和，英国、日本、韩国等地区纷纷提出“绿色新政”，拜登将气候变化置于内外政策的优先位置，更多发展中国家明确低碳转型目标。“绿色低碳”将成为未来很长一段时间内的各国关键词。

那么，碳达峰、碳中和，及其相关的碳交易，到底是什么？我国如何实现“双碳”目标？为何必须时空大数据参与其中？

「收支相抵」碳中和的量化追踪

碳中和的核心概念是碳排放量“收支相抵”，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，由植树造林、节能减排等形式进行抵消，实现零碳排放。依照这样的概念，实现碳中和主要方法有两种：

碳减排：遏制碳排放，节能减排，构建低碳产业体系

碳吸收：维护自然资源和生态环境，植树造林，吸收碳排放

当前，我国明确了“双碳”（碳达峰、碳中和）的总路径：力争通过对能源、工业、交通、建筑等重点行业提高能源使用效率和产业结构调整，推进减排，在10年之内，也就是2030年使碳排放达到峰值；此后，通过能源系统转型和碳封存，用30年时间，在2060年实现净零碳。

中国碳达峰总路径 | 国家电网

中国碳中和总路径 | 国家电网

值得一提的是，欧盟和美国早在1979年、2005年分别碳达峰，各自有71年和45年的时间从峰值走向净零排放。作为世界上最大的发展中国家，中国“3060”的决心要求仅用10年达到峰值、30年降至零排放，中和斜率会远陡峭于欧美，减排速度要超出欧盟一倍，未来40年的碳中和任务时间紧、任务重。

碳达峰、碳中和作为具有时间紧迫性、阶段性执行的国家战略目标，同时也是「排放」与「吸收」的收支中和过程，量化监测跟踪是非常重要的环节。政府需要精准监测和管理手段，行业和企业作为实现碳中和的中坚力量，也需要监管和自我管理、探索优化发展的能力和工具。

时空大数据作为物联网、遥感卫星、空间与定位数据的集合，不仅能在碳「排放」方面进行监测、溯源和改进起到量化监管的作用，并为绿色再生能源的产业体系构建提供数字化指导；在碳「吸收」方向也能起到及时发现生态问题和守护生态平衡的作用。

通过时空大数据的获取处理、可视化与智能分析，可实现：

碳排放监测：通过卫星对地球大气遥感监测反演，对碳排放量和空间分布、强度进行量化客观监测和溯源

生态保护和气候研究：监测记录自然资源数据，保护促进碳汇，对地球气候生态深入研究；

碳交易数据：为构建完善的碳交易市场，提供底层数字支撑平台；

行业组织低碳数字方案：为行业、企业优化自身碳排放提供高效数字化方案

大气遥感定量反演

量化监测和溯源“碳排放”

在统计碳排放时，全球各国各自通过化石燃料燃烧数量和效率来计算，具有很大的不确定性。利用特定的遥感卫星，可从地球大气层对温室气体的发生、分布扩散、影响范围进行客观监测，定量反演气体浓度梯度变化值与碳通量。

太阳光经过大气，有一些特定的光谱频点被聚集的二氧化碳吸收。如果某区域反射或散射光中特定频点很弱，可推断该区域二氧化碳分子比较密集；反之特定频点很强，则可推断二氧化碳分子较少，这个推断和量化过程就是通常所说的“大气遥感定量反演”。并且，不止二氧化碳，不同的光谱特征可推断不同的温室或有害气体浓度，如甲烷（CH4)，二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、气溶胶等。

通过遥感反演呈现的2018年欧洲空气质量，19个欧盟成员国记录的二氧化氮浓度超过年度允许限值 | GeoSpatial

2016年12月，我国首颗用于监测全球大气二氧化碳含量的科学实验卫星，成功到达距离地球700多公里外的太空，开始进行全球二氧化碳排放的监测工作。利用多种高光谱卫星、车载激光雷达等多源时空数据，基于反演算法，也可实时、准确地对大气环境状况进行业务化监测。

遥感反演可深入裸露土地、城市道路、建筑施工裸地、重点排放单位进行碳排放的动态监测，一旦发现碳排放异常点，可及时进行确认和修复；利用地理网格化生成碳排放热点分布图，支持城市管理者从宏观层面做出更为科学的决策，对碳排放的地点和时间进行合理调节。

美国宇航局高光谱卫星AVIRIS-NG在2020年夏季检测到的甲烷气流表明加利福尼亚油田的天然气管道泄漏，管理部门随后确认并修复了泄漏，甲烷气体也是碳排放的主要气体之一。图片来源：NASA/JPL-Caltech。

卫星遥感与LIDAR动态立体监测

森林草原等自然资源

根据测算，在过去十年中，世界各地的森林每年总共从大气中吸收约156亿公吨二氧化碳（合171.6吨），这意味着健康的森林能够吸收中和部分碳排放。但另一方面，森林砍伐、森林火灾和损耗等事件，反而导致每年释放约81亿公吨(89.1吨）的二氧化碳。

森林碳汇是目前最为重要的碳中和途径之一，通过高分辨率的遥感卫星网络和实时数据获取分析，高频监测维护森林生态、及时预警森林火灾、限制人类活动，保持和发展森林蓄积量，是实现碳中和的关键环节。

同时，利用经过处理的卫星遥感影像数据，可构建一个更加精准估算碳通量的全球框架及局部区域影响计算，反映出随着森林被破坏，碳吸收和释放方式之间的动态时空变化。

反映了作为碳排放源（紫色）和碳汇（绿色）森林地区的全球影像图。| 哈里斯等人。2021/全球森林观察/世界资源研究所 美国宇航局

更加立体的动态时空监测手段也被应用在深入森林内部的碳循环和单棵树木的生态健康维护中。通过LIDAR发送密集脉冲全面覆盖整个树冠，可用于检测树木冠层的顶部和底部。这种准确的测量方法将能够更好地估计森林中储存或潜在释放的碳量，提供更准确的碳数据，并用于预测未来气候变化的气候模型中。

除森林外，包括草原、土地、矿产资源、海洋、湿地、水在内的自然资源的健康发展，都是走向碳中和的重要加速环节，遥感卫星等时空监测手段对其变化信息的实时动态获取，都将为维护生态、促进碳吸收，起到高效监管的作用。

物联网与时序、时空动态数据

为碳交易市场提供数据支撑

中国碳排放权交易体系（ETS）将于2021年年中正式投入运行。该体系旨在通过一个可交易的绩效标准来降低碳排放强度，并将率先在发电行业实施，预计未来将拓展到其他行业，将由基于强度的碳交易体系向基于总量的体系过渡。

碳市场的主要职责是将排放权分配给企业，并允许市场参与者以低于自身减排成本的价格购买排放权。经济学认为，碳交易能够使各排放方的边际减排成本均等，以最低成本控制总排放量。

如何让参与碳市场交易的双方能够在统一的标准基础进行交易？除传统的化石燃料燃烧数量和效率计算方式，数字化转型让碳排放有了更加精确的检验和自检方式：基于工业物联网产生的时空数据能够对企业涉及的生产、经营等各环节的碳排放量进行精确的跟踪和计算。

同时，时空数据也能作为MRV（碳排放监测/报告/核算体系）的重要数据来源与分析基础，确定排放单位的历史碳排放量和排放强度，对其随时间变化的情况进行测算，解决企业自报排放量与核查数据之间的分歧，支持生态环境部门对企业进行高效、准确的排放配额。

优化行业碳排放

高效数字化方案

中国温室气体排放主要来自能源、工业、 交通、建筑、农业和土地利用五大部门，2013年后，随着我国节能减排措施力度加大，碳排量进入平台期。积极推动发电侧能源转型，扩大可再生能源的发电比例；使用新能源、清洁能源、可再生能源替代传统能源，成为行业与组织能源改革方案，也是从根本上走向减碳、零碳的重要途径。

通过全面的数字化转型，行业和组织能够对提升自身业务碳排放的监测效率和能源应用管理；利用动态时空数据的边缘智能，更能有效提升可再生能源的边际成本管理与应用效率。

在对碳中和影响最大的能源行业，通过对电网基础设施全面数字化，结合发电侧与电力应用端的时空数据，发挥电网与电力配给的灵活性，合理降低用电成本。

例如，通过屋顶提取、辐射建模、阴影分析和空间分析工具，可有效计算太阳地表辐射量，应用于合理的太阳能系统规划和设计；对于无法人为控制的风/光/水等自然资源发电，通过气象卫星对发电侧的云量、光照、降水估算，可灵活配给过剩能源，为不受空间限制的云计算、数字服务、计算中心提供电力。

基于时空数据库显示的地表的年平均每日全球水平辐射，以评估光伏潜力 | Song 等人 废弃矿山的风能和光伏潜力比较

企业低碳优化方案

根据各国碳中和目标，其重要企业纷纷制定碳中和目标。

各国主要企业承诺碳中和时间阶段 | 国家电网

微软更是承诺到2030年实现碳负排放，并在2050年消除公司自1975年成立以来排放的所有碳。

微软2030年负碳实现路径 | 微软

企业作为中国绿色经济发展的生力军，智能硬件、传感器等产生的时序、时空动态数据能够帮助企业记录、统计和分析评估当下碳排放量、主要碳排放来源以及能源类型，形成合理的能源举措和减少碳足迹方案，如低碳供应链等；同时支持企业通过与基线的对比，持续衡量举措的有效性并优化方案。

时空数据与数字化供应链密切相关，通过建立数字供应链，优化碳足迹，企业可有效降低碳排放。| BCG

2020年与2021年，全球共同经历了极寒、高温或是强对流的极端天气，碳中和看似遥远，但正是与每个组织、每个个体都密切相关。中国提出3060的双碳目标，也是怀着无比勇气与决心对全球做出的大国承诺：必须坚持沿着将气温上升控制在1.5℃框架内的可持续发展之路，在2050年之前实现75-85%的碳减排。这些数字也正是我们每个人需要思考并为之付出努力的目标。