探测“地球的呼吸”：中国碳卫星首幅全球陆表大气二氧化碳分布图

中国科学院大气物理研究所研发的基于卫星观测的大气CO2浓度反演算法(Institute of Atmospheric Physics Carbon Dioxide Retrieval algorithm for satellite remote sensing, IAPCAS) 对中国碳卫星资料进行反演实验，获取了首幅全球陆地表面的大气CO2分布。

气候变化和全球碳监测

工业革命以来，人类生产活动和化石燃料的燃烧向大气排放大量的温室气体，对全球气候的影响日益加剧。大气二氧化碳(下文简称CO2)，由于其温室效应强、含量高，因此成为最重要的温室气体，对全球变暖的影响约占全部温室气体的30%。气候变化将导致一系列灾难，比如海平面上升，更是导致干旱、洪水等异常气候现象的潜在主因。国际社会早在20世纪末期就开始关注全球气候变化的问题，自1992年《联合国气候变化公约》建立以来，层多次修改和增补条款，目的在于约束各国温室气体的排放。

二十一世纪初，温室气体排放和气候变化的步伐并未放慢，国际社会逐渐意识到，这一环境问题将成为人类面临的重大威胁之一。为了应对全球变暖的现状，2011年在南非德班召开的气候变化大会对温室气体制定了“可报告、可检测、可核实”的三可要求，也即对碳排放监测提出了明确的要求。2014年11月，中美两个碳排放大国在北京发布《中美气候变化联合声明》，美国计划于2025年实现在2005年基础上减排26%~28%，中国计划2030年左右二氧化碳排放达到峰值。对于碳排放的监测，传统地基探测方法虽然具有精度高、可靠性强的优点，但是都是单点的测量，缺乏对区域和全球大范围、实时探测的能力和统一的探测方法，因此不能满足人类对CO2时空变化、CO2排放与吸收，以及全球变暖这一问题的深入研究和对气候变化的精确预测。随着空间科学的发展，人类开始探索利用卫星获取全球覆盖的CO2观测及其排放。

早期的热红外探测卫星具有高精度大气CO2探测能力，但是由于其探测原理的局限，不能获取整层大气的CO2观测，仅能看清对流层中高层区域的状态，这就像盲人摸象，通过片面的观测不能了解全大气的情况。然而，随着探测技术的进一步发展，科学家开始使用短波红外高光谱对CO2进行探测，第一颗温室气体观测卫星日本GOSAT于2009年成功发射升空，随后美国OCO-2卫星和中国碳卫星(TanSat)随继分别于2014年和2016年发射升空，目前仅有该3颗卫星具有高精度CO2探测能力。

中国全球碳监测卫星计划-TanSat

图1. 中国碳卫星计划

中国碳卫星是十二五期间，由中国科技部立项，中国科学院负责工程总体，中国科学院国家空间科学中心、微小卫星创新研究院、长春光学精密机械与物理研究所、大气物理研究所和中国气象局国家卫星气象中心等多家单位共同承担的科学实验卫星计划，目标是实现全球大气二氧化碳柱平均干空气混合比(XCO2，下文简称“浓度”)的高精度监测，为碳排放科学研究提供卫星资料。2016年12月22日，中国碳卫星在酒泉卫星发射基地成功发射升空并在轨运行，成为继日本GOSAT和美国OCO-2后，国际上第三颗具有高精度温室气体探测能力的卫星。

中国碳卫星是一颗近极地太阳同步卫星，飞行高度约700公里，每天绕地球天飞行约14圈。其上搭载了主载荷“高光谱分辨率大气二氧化碳探测仪”和辅助载荷“云和气溶胶偏振成像仪”。主载荷高光谱分辨率大气二氧化碳探测仪，利用对地球反射的近红外/短波红外太阳辐射对大气中二氧化碳的含量进行探测，探测主要覆盖氧气(O2)A和CO2吸收谱线(1.61和2.04 )，其中1.61 CO2吸收波段主要用于提取CO2浓度信息，O2 A和2.04 波段主要用于对水汽、气溶胶等干扰因素进行订正(图1)。

图2.中国碳卫星实测吸收光谱

中国碳卫星在轨运行的1年以来状态稳定，从探测的光谱数据来看，有效的反映了大气CO2吸收光谱的结构，在轨测试结果显示出其优秀的素质和探测本领。2017年8月31日，在完成碳卫星已在轨测试全部工作的基础上，中国气象局在北京组织召开了碳卫星在轨测试总结评审，宣布卫星各项功能和性能指标符合研制任务书的要求。而中国碳卫星光谱数据的解析、反演工作也按照既定的计划逐渐开展。2017年10月24日，全球最大的政府间地球观测组织(GEO)第十四届全会“中国日”活动上，我国代表宣布中国碳卫星的数据产品将对全球用户免费开放共享。同时中国科学院大气物理研究所的参会代表也向全世界展示了中国碳卫星首幅全球CO2分布图。中国碳卫星二氧化碳的产品数据也将在不久的将来与大家见面。中国碳卫星将给各类用户提供所需的数据产品，包括光谱数据和大气CO2浓度数据，为科研和业务应用提供数据基础。

中国碳卫星在轨运行的1年以来状态稳定，从探测的光谱数据来看，有效的反映了大气CO2吸收光谱的结构，在轨测试结果显示出其优秀的素质和探测本领。2017年8月31日，在完成碳卫星已在轨测试全部工作的基础上，中国气象局在北京组织召开了碳卫星在轨测试总结评审，宣布卫星各项功能和性能指标符合研制任务书的要求。而中国碳卫星光谱数据的解析、反演工作也按照既定的计划逐渐开展。2017年10月24日，全球最大的政府间地球观测组织(GEO)第十四届全会“中国日”活动上，我国代表宣布中国碳卫星的数据产品将对全球用户免费开放共享。同时中国科学院大气物理研究所的参会代表也向全世界展示了中国碳卫星首幅全球CO2分布图。中国碳卫星二氧化碳的产品数据也将在不久的将来与大家见面。中国碳卫星将给各类用户提供所需的数据产品，包括光谱数据和大气CO2浓度数据，为科研和业务应用提供数据基础。

中国碳卫星原理和大气物理所反演算法

图3. 中国科学院大气物理研究所反演算法获取的首幅中国碳卫星大气二氧化碳全球分布图，(上图)2017年4月，(下图)2017年7月。色标表示大气二氧化碳柱平均干空气混合比(XCO2)。图中填色点表示中国碳卫星观测的大气二氧化碳浓度，纵向每条表示卫星过境时候的向下观测。

大气中的气体可以吸收太阳光，使穿过大气的太阳光具有特殊的光谱结构。CO2在短波红外吸收太阳光，含量越高，吸收越强，表现出吸收线越暗。碳卫星搭载的光栅光谱仪就可以识别出这些暗线，通过理论模拟计算，了解光谱的形态，就可以解析出CO2在大气中的含量，这个过程在卫星遥感中称作“反演”。太阳光辐射进入大气后，会受到分子散射、云和气溶胶散射和地表反射的影响，同时其他气体，例如：水汽和甲烷，也会产生吸收结构，这些都会对观测结果产生复杂影响，这些影响直接会造成观测精度需求极高的CO2探测数据无效(优于0.5%)。“反演”的重要工作之一就是将这些影响剔除或者降低，以保证数据有效。中国科学院大气物理研究所反演算法(The Institute of Atmospheric Physics Carbon Dioxide Retrieval Algorithm for Satellite Remote Sensing, IAPCAS)，是基于最优估计方法的“全物理”反演算法，针对中国碳卫星观测方式和载荷指标，研发了中国碳卫星反演算法(TanSORA)。反演中高精度模拟太阳辐射在大气中传输过程和卫星探测光谱，与实测光谱进行对比，通过迭代调整大气CO2含量和其它对反演影响的大气和地表参数(例如：地表气压、温度、水汽、气溶胶、地表反射率等)，最终模拟光谱和实测光谱的一致性满足既定的条件，对应的CO2含量即为反演结果。