中國科學(xué)院大氣物理研究所研發(fā)的基于衛(wèi)星觀測的大氣CO2濃度反演算法(Institute of Atmospheric Physics Carbon Dioxide Retrieval algorithm for satellite remote sensing, IAPCAS) 對中國碳衛(wèi)星資料進(jìn)行反演實(shí)驗(yàn)，獲取了首幅全球陸地表面的大氣CO2分布。

氣候變化和全球碳監(jiān)測

工業(yè)革命以來，人類生產(chǎn)活動(dòng)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)，由于其溫室效應(yīng)強(qiáng)、含量高，因此成為最重要的溫室氣體，對全球變暖的影響約占全部溫室氣體的30%。氣候變化將導(dǎo)致一系列災(zāi)難，比如海平面上升，更是導(dǎo)致干旱、洪水等異常氣候現(xiàn)象的潛在主因。國際社會(huì)早在20世紀(jì)末期就開始關(guān)注全球氣候變化的問題，自1992年《聯(lián)合國氣候變化公約》建立以來，層多次修改和增補(bǔ)條款，目的在于約束各國溫室氣體的排放。

二十一世紀(jì)初，溫室氣體排放和氣候變化的步伐并未放慢，國際社會(huì)逐漸意識(shí)到，這一環(huán)境問題將成為人類面臨的重大威脅之一。為了應(yīng)對全球變暖的現(xiàn)狀，2011年在南非德班召開的氣候變化大會(huì)對溫室氣體制定了“可報(bào)告、可檢測、可核實(shí)”的三可要求，也即對碳排放監(jiān)測提出了明確的要求。2014年11月，中美兩個(gè)碳排放大國在北京發(fā)布《中美氣候變化聯(lián)合聲明》，美國計(jì)劃于2025年實(shí)現(xiàn)在2005年基礎(chǔ)上減排26%~28%，中國計(jì)劃2030年左右二氧化碳排放達(dá)到峰值。對于碳排放的監(jiān)測，傳統(tǒng)地基探測方法雖然具有精度高、可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但是都是單點(diǎn)的測量，缺乏對區(qū)域和全球大范圍、實(shí)時(shí)探測的能力和統(tǒng)一的探測方法，因此不能滿足人類對CO2時(shí)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(yù)測。隨著空間科學(xué)的發(fā)展，人類開始探索利用衛(wèi)星獲取全球覆蓋的CO2觀測及其排放。

早期的熱紅外探測衛(wèi)星具有高精度大氣CO2探測能力，但是由于其探測原理的局限，不能獲取整層大氣的CO2觀測，僅能看清對流層中高層區(qū)域的狀態(tài)，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(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，科學(xué)家開始使用短波紅外高光譜對CO2進(jìn)行探測，第一顆溫室氣體觀測衛(wèi)星日本GOSAT于2009年成功發(fā)射升空，隨后美國OCO-2衛(wèi)星和中國碳衛(wèi)星(TanSat)隨繼分別于2014年和2016年發(fā)射升空，目前僅有該3顆衛(wèi)星具有高精度CO2探測能力。

中國全球碳監(jiān)測衛(wèi)星計(jì)劃-TanSat

圖1. 中國碳衛(wèi)星計(jì)劃

中國碳衛(wèi)星是十二五期間，由中國科技部立項(xiàng)，中國科學(xué)院負(fù)責(zé)工程總體，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、大氣物理研究所和中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心等多家單位共同承擔(dān)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星計(jì)劃，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)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(jiān)測，為碳排放科學(xué)研究提供衛(wèi)星資料。2016年12月22日，中國碳衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射基地成功發(fā)射升空并在軌運(yùn)行，成為繼日本GOSAT和美國OCO-2后，國際上第三顆具有高精度溫室氣體探測能力的衛(wèi)星。

中國碳衛(wèi)星是一顆近極地太陽同步衛(wèi)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“高光譜分辨率大氣二氧化碳探測儀”和輔助載荷“云和氣溶膠偏振成像儀”。主載荷高光譜分辨率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(jìn)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吸收波段主要用于提取CO2濃度信息，O2 A和2.04 波段主要用于對水汽、氣溶膠等干擾因素進(jìn)行訂正(圖1)。

圖2.中國碳衛(wèi)星實(shí)測吸收光譜

中國碳衛(wèi)星在軌運(yùn)行的1年以來狀態(tài)穩(wěn)定，從探測的光譜數(shù)據(jù)來看，有效的反映了大氣CO2吸收光譜的結(jié)構(gòu)，在軌測試結(jié)果顯示出其優(yōu)秀的素質(zhì)和探測本領(lǐng)。2017年8月31日，在完成碳衛(wèi)星已在軌測試全部工作的基礎(chǔ)上，中國氣象局在北京組織召開了碳衛(wèi)星在軌測試總結(jié)評審，宣布衛(wèi)星各項(xiàng)功能和性能指標(biāo)符合研制任務(wù)書的要求。而中國碳衛(wèi)星光譜數(shù)據(jù)的解析、反演工作也按照既定的計(jì)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(huì)“中國日”活動(dòng)上，我國代表宣布中國碳衛(wèi)星的數(shù)據(jù)產(chǎn)品將對全球用戶免費(fèi)開放共享。同時(shí)中國科學(xué)院大氣物理研究所的參會(huì)代表也向全世界展示了中國碳衛(wèi)星首幅全球CO2分布圖。中國碳衛(wèi)星二氧化碳的產(chǎn)品數(shù)據(jù)也將在不久的將來與大家見面。中國碳衛(wèi)星將給各類用戶提供所需的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，包括光譜數(shù)據(jù)和大氣CO2濃度數(shù)據(jù)，為科研和業(yè)務(wù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

中國碳衛(wèi)星在軌運(yùn)行的1年以來狀態(tài)穩(wěn)定，從探測的光譜數(shù)據(jù)來看，有效的反映了大氣CO2吸收光譜的結(jié)構(gòu)，在軌測試結(jié)果顯示出其優(yōu)秀的素質(zhì)和探測本領(lǐng)。2017年8月31日，在完成碳衛(wèi)星已在軌測試全部工作的基礎(chǔ)上，中國氣象局在北京組織召開了碳衛(wèi)星在軌測試總結(jié)評審，宣布衛(wèi)星各項(xiàng)功能和性能指標(biāo)符合研制任務(wù)書的要求。而中國碳衛(wèi)星光譜數(shù)據(jù)的解析、反演工作也按照既定的計(jì)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(huì)“中國日”活動(dòng)上，我國代表宣布中國碳衛(wèi)星的數(shù)據(jù)產(chǎn)品將對全球用戶免費(fèi)開放共享。同時(shí)中國科學(xué)院大氣物理研究所的參會(huì)代表也向全世界展示了中國碳衛(wèi)星首幅全球CO2分布圖。中國碳衛(wèi)星二氧化碳的產(chǎn)品數(shù)據(jù)也將在不久的將來與大家見面。中國碳衛(wèi)星將給各類用戶提供所需的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，包括光譜數(shù)據(jù)和大氣CO2濃度數(shù)據(jù)，為科研和業(yè)務(wù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

中國碳衛(wèi)星原理和大氣物理所反演算法

圖3. 中國科學(xué)院大氣物理研究所反演算法獲取的首幅中國碳衛(wèi)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(biāo)表示大氣二氧化碳柱平均干空氣混合比(XCO2)。圖中填色點(diǎn)表示中國碳衛(wèi)星觀測的大氣二氧化碳濃度，縱向每條表示衛(wèi)星過境時(shí)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(jié)構(gòu)。CO2在短波紅外吸收太陽光，含量越高，吸收越強(qiáng)，表現(xiàn)出吸收線越暗。碳衛(wèi)星搭載的光柵光譜儀就可以識(shí)別出這些暗線，通過理論模擬計(jì)算，了解光譜的形態(tài)，就可以解析出CO2在大氣中的含量，這個(gè)過程在衛(wèi)星遙感中稱作“反演”。太陽光輻射進(jìn)入大氣后，會(huì)受到分子散射、云和氣溶膠散射和地表反射的影響，同時(shí)其他氣體，例如：水汽和甲烷，也會(huì)產(chǎn)生吸收結(jié)構(gòu)，這些都會(huì)對觀測結(jié)果產(chǎn)生復(fù)雜影響，這些影響直接會(huì)造成觀測精度需求極高的CO2探測數(shù)據(jù)無效(優(yōu)于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(shù)據(jù)有效。中國科學(xué)院大氣物理研究所反演算法(The Institute of Atmospheric Physics Carbon Dioxide Retrieval Algorithm for Satellite Remote Sensing, IAPCAS)，是基于最優(yōu)估計(jì)方法的“全物理”反演算法，針對中國碳衛(wèi)星觀測方式和載荷指標(biāo)，研發(fā)了中國碳衛(wèi)星反演算法(TanSORA)。反演中高精度模擬太陽輻射在大氣中傳輸過程和衛(wèi)星探測光譜，與實(shí)測光譜進(jìn)行對比，通過迭代調(diào)整大氣CO2含量和其它對反演影響的大氣和地表參數(shù)(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(shí)測光譜的一致性滿足既定的條件，對應(yīng)的CO2含量即為反演結(jié)果。