2025/02/25 | 電子報No.0204期 | Hom 李宏君 X Jieyun 張桔云
全球氣候變遷日益加劇，為了減緩暖化帶來的影響，世界各國政府紛紛響應「2050淨零排放」的目標。甫落幕的聯合國氣候峰會(COP29)也針對此溫室氣提排放議題達成了幾項重要進展，包括制定全球碳交易市場的規範、提高氣候資金額度目標，以及強化溫室氣體(尤其是甲烷、二氧化碳)的排放監測，這些決議對各國政府及企業都帶來更具體的指引與嶄新的挑戰。儘管台灣非屬會員國，但氣候變遷對台灣的影響日益明顯，特別是近期因颱風和豪雨造成的災害損失，使政府與民間仍然高度關注。為了有效執行氣候政策並達成減碳承諾，我們更需要可靠且即時的觀測數據來監測與驗證。
追求淨零排放的目標意味著必須積極採用碳捕捉或移除技術，以平衡人為溫室氣體排放。森林碳匯是目前最廣泛應用的自然解方，為了後續探討相關遙測技術，我們將先對其進行初步認識。
森林碳匯量測方法演進
地球上最有效也是最簡單的碳儲存方式就是樹木，樹木靠著吸收大氣中的二氧化碳，將碳元素轉化為有機質固定儲存，日積月累形成樹幹與枝葉的木材組織。根據聯合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)2006年的指南，森林碳匯涵蓋三大類:生物量(Biomass)(包含地上部與地下部)、死有機質(Dead Organic Matter, DOM)與土壤(Soils)，其中又以地上部(Above Ground)生物量佔了最大部份，而精確的地上部碳匯計算需考量材積、各式轉換係數、樹種或林型等多項因子，需要經常性的採樣測量獲取所需數據。
而大範圍地上部森林碳匯不易以上述方法計算，現今大多使用空載或衛載光達(LiDAR)來量測森林樹高、樹冠覆蓋等來確認森林的三維結構資訊，例如NASA的全球生態動態調查GEDI計劃(Global Ecosystem Dynamics Investigation)除了可直接獲取地表三維資訊外，更直接提供如L4A等級的地上生物量密度(AGBD)估測值，主要應用於森林生態系統的研究。GEDI的光達系統搭載於國際太空站(ISS)，由三組掃描儀所構成，其每個光束在地面形成直徑25公尺的圓形足跡，這些足跡沿著軌道相隔60公尺，不同軌道間的光束軌道間隔600公尺。
▲ GEDI光達掃描儀地面足跡示意圖(圖片來源)
▲ GEDI延軌道量測的植生垂直分佈(圖片來源)
雖然GEDI提供了大範圍地上部生物量的精確估算數據，但其60m x 600m的足跡間隔導致很大的數據缺口，難以監測局部砍伐或森林退化導致的變化。為了彌補此缺點，近來趨勢走向多元遙測資料整合，例如以光學衛星結合LiDAR測量的數據，以機器學習模型進行碳匯量的訓練推估，提升了碳匯的估算效率與準確性。
▲ GEDI LiDAR足跡分佈(圖片來源)
Planet森林碳匯數據
得益於立方衛星的快速發展，近十幾年來地球觀測(Earth Observation)任務相較於以往傳統衛星時代具備更高頻率的拍攝能量，其較低的成本與技術門檻造就了另一波新的”太空競賽”。以目前營運成熟的商用衛星公司PlanetLabs為例，目前在軌超過180顆的鴿子衛星，能以近乎每日的頻率對全球地表進行拍攝，他們利用近十年來累積的全球大量衛星影像結合GEDI的點雲與生物量數據，發展AI模型推估技術，在2024年9月正式上線了「森林碳匯歷史資料與動態監測」服務（Forest Carbon Diligece & Monitoring），不僅可追溯2013年至今全球30公尺解析度的逐年歷史地上部森林碳匯(Aboveground carbon density)，並自2021起每季更新3公尺解析度的數據，提供了一個全球範圍的高空間、時間解析度的全面碳匯監測資訊。
▲ 不同尺度下的Planet森林碳監測(來源：Planet Forest Carbon Datasheet)
Planet森林碳匯數據同時也提供樹高(Canopy height)和樹冠覆蓋率(Canopy cover)兩項描述森林結構的關鍵參數，可評估森林健康狀況，辨識局部伐林和退化現象。此項產品與多個權威數據集的比較驗證，包含使用中緯度的資料與NASA GEDI的地上部生物量(AGB)比對顯示出極高的相關性(r=0.98)；與ESA CCI Biomass的交叉驗證也達到了0.87的相關係數，證實了Planet Forest Carbon估算的可靠性，更展現出在不同生態系統和地理區域的穩定表現，這使得Forest Carbon成為碳匯交易、森林保育計畫以及環境監測等應用的理想工具。
▲ Planet森林碳監測產品與全球權威數據集的交叉驗證，展現了高度一致性的地上部生物量估算
目前我們取得臺灣南投山區30公尺解析度的Planet歷史碳匯資料，以下將以此為案例探討區域分析上的應用價值。圖6展示南投仁愛鄉清境山區之地上部碳匯數據，西側屬埔里事業區第129林班，呈現出較高碳密度的黃色和綠色，表示具有較高的碳儲量；而位於東側的人工開發區域碳密度明顯較低。進一步來看圖中林班地範圍在2015至2022年間逐年平均碳密度變化(圖7)，儘管在2015 ~ 2016以及2019 ~ 2021兩段區間有略為下降，整體趨勢仍是上升的，平均淨碳儲量增加6 Mg C/Ha，推測該林地應無明顯人為砍伐，在經歷干擾事件後仍展現出良好的恢復力，這種變化可能反映了森林生態系統的自然動態過程，或受到氣候變遷、林地管理等因素的影響，實際原因需結合更多現第調查或更多數據的佐證。
▲ Planet 30公尺解析度地上部碳密度(ACD) (地點：南投清境)
▲ 埔里事業區第129林班局部碳匯變化
在碳市場即將迎來重大轉型之際，Planet與氣候金融創新者Laconic攜手合作，簽訂了為期三年的重量級合作協議。這項策略結盟將Planet精準的森林碳監測能力注入Laconic的主權碳權證券化平台，開創了以科技驅動碳交易的新紀元，期許各國政府能夠更有效地將森林資產轉化為可信的碳權商品。
高光譜衛星應用於溫室氣體監測
2024年8月，Planet與致力於追蹤全球溫室氣體排放的非營利組織Carbon Mapper合作，發射其第一顆高光譜衛星-唐納雀Tanager-1，搭載了超過400個波段的最新型高光譜成像儀，目標是能夠精確定位並量化甲烷與二氧化碳的超級排放源，提供減排行動的關鍵數據，是溫室氣體監測的另一項里程碑。
Tanager-1高光譜感測儀能捕捉400-2500nm波長範圍424個波段的影像，解析度達30公尺。其一般的高光譜「影像產品」可應用於土地覆蓋分類、植被健康監測和礦物探勘；因甲烷和二氧化碳等溫室氣體會吸收特定波長的光，進一步分析Tanager-1衛星拍攝的光譜資訊(doi:10.5194/amt-8-4383-2015)，可以識別出獨特的吸收特徵，確定甲烷與二氧化碳羽流(plume)的位置與量化資訊，此分析數據另以「甲烷偵測產品」提供。
▲ Tanager-1拍攝的第一幅高光譜影像(地點：巴基斯坦 喀拉蚩、日期：2024/09/19)
儘管Tanager-1目前還在調校階段，在投入試營運的短短不到半年內就偵測到全球多處重大溫室氣體排放點，分析成果也同步上架至Carbon Mapper平台上，截至本文發布時間全球已公開超過300筆Tanager-1的檢測資料，東亞地區目前累計有30筆，下圖為包含NASA EMIT的數據，共有334筆。
▲ Carbon Mapper平台展示東亞地區溫室氣體排放源檢測分佈(檢測衛星：Tanager-1、NASA EMIT)
以下展示位於中國安徽甲烷與二氧化碳排放源之檢測案例，圖10、圖11所展示的氣柱濃度以ppm-m為單位，愈接近排放源濃度愈高；臺灣目前可查詢到則是由NASA EMIT高光譜衛星所偵測到的大林電廠二氧化碳濃度數據(圖12)。值得期待的是，未來隨著Tanager-1運作的穩定，可望取得更多包含臺灣在內的全球排放源數據。
▲ Tanager-1偵測到位於中國安徽省之甲烷濃度(日期：2024/10/29)
▲ Tanager-1偵測到位於中國安徽省火力發電廠附近之二氧化碳濃度(日期：2024/10/29)
▲ EMIT/NASA偵測到位於高雄大林電廠附近之二氧化碳濃度二氧化碳濃度(日期：2024/09/26)
應對全球氣候快速變遷的挑戰，遙測技術扮演的角色也愈來愈關鍵，本文探討近期Planet如何透過其森林碳匯歷史資料與動態監測服務(Forest Carbon Diligece & Monitoring)，以及Tanager-1高光譜衛星在溫室氣體監測上的應用。高時空解析度的衛星觀測能力，使得對森林動態變化以及溫室氣體的排放情況進行監測成為可能，遙測方法提升了數據的透明度不僅有助於更準確地評估各國和企業的減排成效，也為全球碳交易市場提供了更可靠的驗證機制。
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