中國碳衛星首幅全球陸表大氣二氧化碳分布圖

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封面故事

探測「地球的呼吸」：

中國碳衛星首幅全球陸表大氣二氧化碳分布圖

《大氣科學進展》2018年第6期封面

封面展示了作者應用中國科學院大氣物理研究所研發的基於衛星觀測的大氣CO2濃度反演演算法(Institute of Atmospheric Physics Carbon Dioxide Retrieval algorithm for satellite remote sensing, IAPCAS) 對中國碳衛星（封面中所示衛星）資料進行反演實驗，獲取了首幅全球陸地表面的大氣CO2分布，圖中填色圖上圖和下圖分別展示了2017年4月和7月大氣CO2全球分布，其中紅色表示CO2濃度較高的地區，藍色表示濃度低的地區。

氣候變化和全球碳監測

工業革命以來，人類生產活動和化石燃料的燃燒向大氣排放大量的溫室氣體，對全球氣候的影響日益加劇。大氣二氧化碳（下文簡稱CO2），由於其溫室效應強、含量高，因此成為最重要的溫室氣體，對全球變暖的影響約佔全部溫室氣體的30%。氣候變化將導致一系列災難，比如海平面上升，更是導致乾旱、洪水等異常氣候現象的潛在主因。國際社會早在20世紀末期就開始關注全球氣候變化的問題，自1992年《聯合國氣候變化公約》建立以來，層多次修改和增補條款，目的在於約束各國溫室氣體的排放。

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二十一世紀初，溫室氣體排放和氣候變化的步伐並未放慢，國際社會逐漸意識到，這一環境問題將成為人類面臨的重大威脅之一。為了應對全球變暖的現狀，2011年在南非德班召開的氣候變化大會對溫室氣體制定了「可報告、可檢測、可核實」的三可要求，也即對碳排放監測提出了明確的要求。2014年11月，中美兩個碳排放大國在北京發布《中美氣候變化聯合聲明》，美國計劃於2025年實現在2005年基礎上減排26%~28%，中國計劃2030年左右二氧化碳排放達到峰值。對於碳排放的監測，傳統地基探測方法雖然具有精度高、可靠性強的優點，但是都是單點的測量，缺乏對區域和全球大範圍、實時探測的能力和統一的探測方法，因此不能滿足人類對CO2時空變化、CO2排放與吸收，以及全球變暖這一問題的深入研究和對氣候變化的精確預測。隨著空間科學的發展，人類開始探索利用衛星獲取全球覆蓋的CO2觀測及其排放。

早期的熱紅外探測衛星具有高精度大氣CO2探測能力，但是由於其探測原理的局限，不能獲取整層大氣的CO2觀測，僅能看清對流層中高層區域的狀態，這就像盲人摸象，通過片面的觀測不能了解全大氣的情況。然而，隨著探測技術的進一步發展，科學家開始使用短波紅外高光譜對CO2進行探測，第一顆溫室氣體觀測衛星日本GOSAT於2009年成功發射升空，隨後美國OCO-2衛星和中國碳衛星（TanSat）隨繼分別於2014年和2016年發射升空，目前僅有該3顆衛星具有高精度CO2探測能力。

中國全球碳監測衛星計劃-TanSat

圖1. 中國碳衛星計劃

（中國科學院微小衛星創新研究院提供）

中國碳衛星是十二五期間，由中國科技部立項，中國科學院負責工程總體，中國科學院國家空間科學中心、微小衛星創新研究院、長春光學精密機械與物理研究所、大氣物理研究所和中國氣象局國家衛星氣象中心等多家單位共同承擔的科學實驗衛星計劃，目標是實現全球大氣二氧化碳柱平均干空氣混合比（XCO2，下文簡稱「濃度」）的高精度監測，為碳排放科學研究提供衛星資料。2016年12月22日，中國碳衛星在酒泉衛星發射基地成功發射升空並在軌運行，成為繼日本GOSAT和美國OCO-2後，國際上第三顆具有高精度溫室氣體探測能力的衛星。

中國碳衛星是一顆近極地太陽同步衛星，飛行高度約700公里，每天繞地球天飛行約14圈。其上搭載了主載荷「高光譜解析度大氣二氧化碳探測儀」和輔助載荷「雲和氣溶膠偏振成像儀」。主載荷高光譜解析度大氣二氧化碳探測儀，利用對地球反射的近紅外/短波紅外太陽輻射對大氣中二氧化碳的含量進行探測，探測主要覆蓋氧氣（O2）A和CO2吸收譜線（1.61和2.04 ），其中1.61 CO2吸收波段主要用於提取CO2濃度信息，O2 A和2.04 波段主要用於對水汽、氣溶膠等干擾因素進行訂正（圖1）。

圖2.中國碳衛星實測吸收光譜

中國碳衛星在軌運行的1年以來狀態穩定，從探測的光譜數據來看，有效的反映了大氣CO2吸收光譜的結構，在軌測試結果顯示出其優秀的素質和探測本領。2017年8月31日，在完成碳衛星已在軌測試全部工作的基礎上，中國氣象局在北京組織召開了碳衛星在軌測試總結評審，宣布衛星各項功能和性能指標符合研製任務書的要求。而中國碳衛星光譜數據的解析、反演工作也按照既定的計劃逐漸開展。2017年10月24日，全球最大的政府間地球觀測組織（GEO）第十四屆全會「中國日」活動上，我國代表宣布中國碳衛星的數據產品將對全球用戶免費開放共享。同時中國科學院大氣物理研究所的參會代表也向全世界展示了中國碳衛星首幅全球CO2分布圖。中國碳衛星二氧化碳的產品數據也將在不久的將來與大家見面。中國碳衛星將給各類用戶提供所需的數據產品，包括光譜數據和大氣CO2濃度數據，為科研和業務應用提供數據基礎。

圖3. 中國科學院大氣物理研究所呂達仁院士和劉毅研究員GEO第十四屆全會「中國日」活動上向全世界展示中國碳衛星首幅全球CO2分布圖。

中國碳衛星原理和大氣物理所反演演算法

圖4.中國科學院大氣物理研究所反演演算法獲取的首幅中國碳衛星大氣二氧化碳全球分布圖，（上圖)2017年4月，（下圖)2017年7月。色標表示大氣二氧化碳柱平均干空氣混合比（XCO2）。圖中填色點表示中國碳衛星觀測的大氣二氧化碳濃度，縱向每條表示衛星過境時候的向下觀測。

大氣中的氣體可以吸收太陽光，使穿過大氣的太陽光具有特殊的光譜結構。CO2在短波紅外吸收太陽光，含量越高，吸收越強，表現出吸收線越暗。碳衛星搭載的光柵光譜儀就可以識別出這些暗線，通過理論模擬計算，了解光譜的形態，就可以解析出CO2在大氣中的含量，這個過程在衛星遙感中稱作「反演」。太陽光輻射進入大氣後，會受到分子散射、雲和氣溶膠散射和地表反射的影響，同時其他氣體，例如：水汽和甲烷，也會產生吸收結構，這些都會對觀測結果產生複雜影響，這些影響直接會造成觀測精度需求極高的CO2探測數據無效（優於0.5%）。「反演」的重要工作之一就是將這些影響剔除或者降低，以保證數據有效。中國科學院大氣物理研究所反演演算法（The Institute of Atmospheric Physics Carbon Dioxide Retrieval Algorithm for Satellite Remote Sensing, IAPCAS），是基於最優估計方法的「全物理」反演演算法，針對中國碳衛星觀測方式和載荷指標，研發了中國碳衛星反演演算法（TanSORA）。反演中高精度模擬太陽輻射在大氣中傳輸過程和衛星探測光譜，與實測光譜進行對比，通過迭代調整大氣CO2含量和其它對反演影響的大氣和地表參數（例如：地表氣壓、溫度、水汽、氣溶膠、地表反射率等），最終模擬光譜和實測光譜的一致性滿足既定的條件，對應的CO2含量即為反演結果。

2016年12月22日，中國碳衛星成功發射在軌運行，成為中國首顆、國際上第三顆高精度溫室氣體探測衛星。在成功完成在軌測試、定標工作後，中國碳衛星開始進行對地觀測運行、獲取大氣二氧化碳觀測數據。在這篇封面論文中，作者介紹了基於中國科學院大氣物理研究所反演演算法（The Institute of Atmospheric Physics Carbon Dioxide Retrieval Algorithm for Satellite Remote Sensing, IAPCAS）研發的中國碳衛星演算法，反演獲取了2017年4月和7月中國碳衛星首幅全球陸地二氧化碳分布圖，預示著中國碳衛星將為氣候變化的研究提供數據支撐。結果顯示出春季由於人為排放形成的北半球二氧化碳濃度高、南半球濃度低的特徵、由春入夏北半球二氧化碳濃度降低的趨勢、人類活動頻繁地區二氧化碳濃度高的現象，有效顯示了生態系統隨季節變化的「固碳」作用等科學現象。

論文主要作者

劉毅

研究員

中國科學院大氣物理研究所

中國科學院中層大氣和全球環境探測重點實驗室（LAGEO）

長期從事大氣溫室氣體、污染物和氣溶膠等成分的衛星觀測科學需求、方法和數據應用領域的研究。主持中科院先導專項碳專項項目四「衛星反演凈排放」、863重大項目「全球CO2監測科學試驗衛星與應用示範項目」-「CO2高精度衛星反演演算法研究專題」、日本GOSAT衛星團隊的反演演算法合作項目、中科院-德國亥姆霍茲聯合會夥伴團隊「亞洲地區人為排放增加對氣候的影響研究」 項目、自然科學基金重點、面上等項目。

楊東旭

副研究員

中國科學院大氣物理研究所

中國科學院中層大氣和全球環境探測重點實驗室（LAGEO）

長期從事大氣溫室氣體高光譜遙感探測技術和反演方法的研究工作，自主研發並建立一套適用於短波紅外高光譜CO2反演研究的快速、高精度正演輻射傳輸模型系統和一套可應用於實測光譜數據的高精度短波紅外高光譜CO2反演演算法，並為中國碳衛星（TanSat）開發了全球二氧化碳反演演算法軟體。參與中科院戰略先導專項、國家重點研發計劃、國家高技術研究發展計劃等項目。擔任中國科技部-歐洲空間局「龍計劃」衛星碳監測方法研究項目中方PI，日本GOSAT衛星國際合作計劃反演演算法項目CoI。

本文作者：楊東旭

編輯製作： 金玲

校對：石傲蘭

?《大氣科學進展》?

除作者論文介紹圖以外，

文中圖片均來自於網路。

文章來源：大氣科學進展AAS公眾號、

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