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“碳中和” 呼唤时空大数据

2021-09-17 09:56:22    来源: 中国自然资源报    作者:李菁华

减少碳排放、促进碳中和,全球在行动。目前,已有127个国家承诺碳中和。“绿色低碳”将成为未来很长一段时间内人类可持续发展的关键词。那么,碳达峰、碳中和,及其相关的碳交易,到底是什么?我国实现“双碳”目标为何必须有时空大数据的参与和支持?

“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:

一是碳减排,遏制碳排放,节能减排,构建低碳产业体系;二是碳吸收,维护自然资源和生态环境,植树造林,吸收碳排放 。

实现碳达峰、碳中和,量化监测跟踪是非常重要的环节。时空大数据作为物联网、遥感卫星、空间与定位数据的集合,不仅能对碳排放的监测、溯源和改进起到量化监管的作用,为绿色可再生能源的产业体系构建提供数字化指导,而且能在碳吸收方面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,可对碳排放量和空间分布、强度进行量化客观监测和溯源;通过生态保护和气候研究,监测记录自然资源数据,可保护促进碳汇,对地球气候生态深入研究;通过获得碳交易数据,可为构建完善的碳交易市场,提供底层数字支撑;通过获取行业组织低碳数字方案,可为行业、企业优化自身碳排放提供高效数字化方案。

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、二氧化硫、二氧化氮、气溶胶等。

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。

遥感反演还可深入裸露土地、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作出更为科学的决策,对碳排放的地点和时间进行合理调节。

监测自然资源变化发展

森林碳汇是目前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。

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。例如,通过激光雷达发送密集脉冲全面覆盖整个树冠,可检测树木冠层的顶部和底部。这种准确的测量方法将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、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。

为碳交易市场提供数据支撑

将要投入运行的中国碳排放权交易体系(ETS),旨在通过一个可交易的绩效标准来降低碳排放强度。它将率先在发电行业实施,并逐渐拓展到其他行业,推动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上进行交易?除传统的化石燃料燃烧数量和效率计算方式外,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。

数字化方案优化行业碳排放

中国的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5个方面,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,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进行管理;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。

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,可以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,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。

此外,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。

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