隨著工業化行程的加快和能源消費的持續增長，全球溫室氣體排放量不斷攀升，導致氣候變遷問題日益嚴峻。為了有效應對這一挑戰，各國紛紛制定減排目標，並加強碳監測工作。碳監測作為理解溫室氣體排放、評估碳匯能力的重要手段，其重要性不言而喻。2016年，我們發射了全球大氣二氧化碳觀測科學實驗衛星，實作了基於衛星的「自上而下」碳監測。
傳統的碳監測方法主要依賴於地面站點觀測和衛星遙感監測，這兩種方法各有優劣，但也存在明顯的局限性。地面站點觀測雖然精度高，但站點分布稀疏，難以全面覆蓋廣闊的地域範圍；而衛星遙感監測雖然具有全球覆蓋的優勢，但受雲層覆蓋、觀測角度和觀測時間等因素影響，其數據精度和時間分辨率有限。因此，迫切需要一種新的監測技術來彌補這些不足。
為了更全面地掌握碳排放和碳匯的動態變化，我們不斷探索新的監測技術和方法，低成本地基無人機協同碳觀測網絡（Low-cost UAV Coordinated Carbon observation Network，LUCCN）便應運而生。
實驗中的地基觀測器材和無人機飛行陣列
（圖片來源：趙桐暉攝）
LUCCN系統主要由無人機機群和地面觀測器材兩大部份組成。無人機機群負責動態監測大氣中二氧化碳濃度的變化，透過多無人機協同的方式提高資訊收集效率；地面觀測器材則負責整體狀態的監測，形成靜態與動態、背景與示蹤的互補觀測。兩者數據共享，由中央決策處理系統統一分析並指揮無人機的下一步飛行部署。
透過結合無人機和地面觀測器材的優勢，LUCCN系統實作了對小區域（如工業園區、城市等）碳排放的高時頻、高空間分辨率監測，為碳監測領域帶來了新的突破。
LUCCN系統示意圖
（圖片來源：【大氣科學進展】2024年第1期封面）
LUCCN系統的工作原理主要分為三個方面：
無人機動態監測：無人機搭載高精度二氧化碳濃度傳感器，在空中按照預設的飛行軌跡進行動態監測。透過多無人機協同作業，可以實作對監測區域內二氧化碳濃度的全面覆蓋和連續觀測。
地面觀測補充：地面觀測器材負責在固定點位進行長時間連續觀測，以獲取背景濃度的變化情況。這些數據為無人機監測提供了重要的參考和補充。
數據共享與分析：無人機和地面觀測器材收集到的數據透過無線傳輸方式返回中央決策處理系統。系統對數據進行統一分析處理，並根據分析結果調整無人機的飛行軌跡和監測策略。
相比傳統的碳監測方法，LUCCN系統具有顯著的數據優勢。首先，該系統能夠實作對小區域的高時頻、高空間分辨率監測，填補了衛星遙感監測在這一方面的空白。其次，無人機和地面觀測器材的協同作業使得系統能夠獲取更加全面和詳細的監測數據，為科研人員提供了更加豐富的研究素材。
無人機檢查示意圖
（圖片來源：veer圖庫）
LUCCN系統具有廣泛的套用場景。首先，該系統可以用於工業園區、城市等小區域的碳排放監測，幫助政府和企業了解自身的碳排放情況並制定減排措施。其次，該系統還可以用於生態碳匯的監測和評估，為生態保護和環境治理提供科學依據。此外，LUCCN系統還可以與其他監測手段相結合，形成更加完善的碳監測體系。
LUCCN系統和衛星監測在數據層面存在明顯的差異。衛星監測主要針對全球範圍進行監測，側重於大氣柱內二氧化碳濃度的變化。這種監測方式雖然具有全球覆蓋的優勢，但無法獲取近地面層二氧化碳的詳細變化情況。
環境汙染
（圖片來源：veer圖庫）
而LUCCN系統則更側重於近地面層二氧化碳的精細監測，能夠提供更詳細的局部數據。兩者數據雖不同，但透過數據同化技術可以實作數據的融合與套用，更全面地了解碳源與碳匯的分布情況。
衛星監測和LUCCN系統在套用場景上也存在互補關系。衛星監測具有全球覆蓋的優勢，適用於大範圍的碳監測任務；而LUCCN系統則更適用於小範圍的精細監測任務。兩者在套用場景上形成互補關系，共同為碳監測提供全面而詳細的數據支持。
正如LUCCN這個名字一樣，前半部份「Luc」是「Luck」的諧音，後半部份「CN」，則代表了中國。我們希望可以透過碳監測，為國家的「雙碳」戰略目標提供科技力量的支撐，LUCCN也是我們團隊對中國「雙碳」戰略的祝福。
未來我們研究團隊還將繼續深化天空地一體化碳監測體系和碳核算體系的研究，探索更多新的研究方向。同時，當前面臨的挑戰如數據覆蓋度不夠、觀測細致程度不足等還需要團隊的不懈努力，我們會研制更多衛星和監測網絡，提升數據的全面性和深度，以更好地助力雙碳戰略目標的實作。
LUCCN系統的誕生與套用，是中國在碳監測領域的一次重要創新。它不僅填補了傳統衛星監測的空白，更為實作碳源的精細監測提供了有力支持。隨著科研的深入和技術的不斷發展，我們有理由相信，中國將在碳監測領域取得更多突破，為全球氣候變遷研究貢獻更多中國智慧和中國方案。
出品：科普中國
作者：楊東旭（中國科學院大氣物理研究所）
監制：中國科普博覽
