盧乃錳

為什么要通過衛(wèi)星觀測全球二氧化碳？

全球二氧化碳濃度的急劇上升是氣候變暖的主要元兇。

在過去的150年，全球二氧化碳濃度從280ppm上升到400ppm，二氧化碳的溫室效應導致全球平均氣溫在過去的100年間上升超過0.7K。由此造成極端天氣事件發(fā)生頻次增高，強度加大。過去我們二氧化碳氣體含量及時空分布信息主要來自分布于全球各地的地面環(huán)境監(jiān)測站，利用環(huán)境監(jiān)測站監(jiān)測大氣痕量氣體，具有數(shù)據(jù)可信度高、獲取容易等優(yōu)點。但也存在明顯的不足。

（1）耗時耗力，難以進行宏觀上的統(tǒng)籌規(guī)劃：受到二氧化碳排放方式、擴散模式、氣象因素、地形條件等諸多因素的影響，其時空分布復雜多變，必須采取加密站點的方式才能準確獲取其分布信息，而站點的加密必將耗費大量的人力物力；

（2）地面觀測獲取的只是特定點上的數(shù)據(jù)，難以擴展到面，不能準確反應區(qū)域的二氧化碳環(huán)境狀況：雖然理論上可以依靠監(jiān)測點的結(jié)果，通過數(shù)據(jù)同化方法擴展到面，但當站點觀測數(shù)據(jù)過于稀少時，這種擴展方式的可靠性本身也是一個有待研究的問題；

（3）觀測受到行政邊界的制約：由于衛(wèi)星觀測可以跨越國家行政邊界，利用星載超高光譜大氣探測，可以準確推算大氣成分和不同氣體的含量，發(fā)展星載高光譜大氣探測便成為實現(xiàn)對全球溫室氣體和大氣污染物排放監(jiān)測的唯一手段。

國際上還有哪些國家在關(guān)注二氧化碳的衛(wèi)星觀測？

面對全球氣候的明顯變化，近20年來，許多重要的國際研究計劃均在反復強調(diào)對以二氧化碳為核心的全球大氣成分觀測的重要性。盡管諸如Envisat和Aura等衛(wèi)星也能通過星上搭載的多種高光譜分辨率大氣成分探測儀的觀測，獲取全球大氣主要成分的時空分布，這些觀測所得到的主要是大氣層中上部分信息，還不能準確反映二氧化碳柱濃度。在碳衛(wèi)星立項之前，只有2009年發(fā)射的日本GOSAT衛(wèi)星可以對二氧化碳柱濃度進行精度并不太高的觀測。2014年，美國也發(fā)射了二氧化碳觀測衛(wèi)星OCO-2（OCO-1于2009年發(fā)射失?。?，可以比較準確地完成全球二氧化碳觀測（誤差1ppm）。

863碳衛(wèi)星的立項背景和過程？

（1）國家需求

眾所周知，工業(yè)革命以來，由于石油、煤等化石能源的大規(guī)模使用，導致大氣中二氧化碳、甲烷等溫室氣體濃度急劇上升，引起全球氣候變暖。國際政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第四次評估報告明確指出，由于人類活動影響，作為主要溫室氣體的二氧化碳、甲烷的濃度上升到2500萬年以來的最高值，其中最為重要的溫室氣體二氧化碳的濃度已經(jīng)由工業(yè)革命前的280ppm上升到接近400ppm。為了應對全球氣候變化，我國政府于2007年6月4日正式發(fā)布了《中國應對氣候變化國家方案》，這表明對全球氣候變化的監(jiān)測與分析已經(jīng)不僅是一個涉及國民健康、經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的科學和技術(shù)問題，也成為一個涉及到國家安全和國際環(huán)境外交的政治問題?！笆晃濉蹦┢?，863地球觀測與導航專家組在開展“十二五”戰(zhàn)略研究時，注意到2009年發(fā)生了兩個重大事件，一是哥本哈根氣候大會，二氧化碳問題再次成為全球關(guān)注的焦點；另一個是日本發(fā)射了溫室氣體觀測衛(wèi)星GOSAT（同年美國二氧化碳觀測衛(wèi)星OCO-1發(fā)射失?。虼?，我們863專家組把目光聚焦在全球二氧化碳監(jiān)測上。

（2）科技前沿

利用空間技術(shù)手段實現(xiàn)對全球二氧化碳的觀測，需要研制具有極高光譜分辨率的遙感儀器（其光譜分辨能力比常規(guī)的高光譜儀器高1～2個數(shù)量級），這不僅對于我們，而且對于日本、美國等發(fā)達國家也具有極高的技術(shù)挑戰(zhàn)性。為此，863地球觀測與導航領(lǐng)域?qū)＜医M，面向國家應對氣候變化的重大需求，著眼于國際和國內(nèi)的技術(shù)發(fā)展，在“十一五”后期，走訪了國內(nèi)10余個技術(shù)優(yōu)勢單位，通過長達一年的前期深入論證，提出了“全球二氧化碳監(jiān)測科學實驗衛(wèi)星及其應用示范”重大項目。這個項目的完成，將對填補我國在全球大氣成分觀測方面的空白，形成全球氣候變化的監(jiān)測能力、改進氣候預估結(jié)果、滿足我國國防建設(shè)和經(jīng)濟建設(shè)的急迫需求產(chǎn)生深遠影響。與此同時，由于中國的經(jīng)濟已經(jīng)走向世界，中國的科學技術(shù)也應該走向世界。中國碳衛(wèi)星的發(fā)射在提升我國高光譜遙感探測系統(tǒng)整體技術(shù)水平的同時，也將為世界的科技發(fā)展作出貢獻。

碳衛(wèi)星的目標是什么？

面向全球變化、國家重大需求和科學研究前沿，以全球CO2遙感監(jiān)測為切入點，研制光譜分辨率達到1/10nm的高光譜CO2監(jiān)測儀（立項任務(wù)書中比這個指標還高，在研制過程中長春光機所遇到技術(shù)挑戰(zhàn)，后經(jīng)過深入論證，在基本不影響產(chǎn)品精度的前提下，對原指標有所調(diào)整）；采用多模敏捷觀測平臺，建立對全球重點區(qū)域進行高密度觀測、可疑點多角度觀測以及敏感區(qū)剖面觀測能力，使我國在高光譜觀測方面總體超過日本GOSAT，達到美國OCO-2的水平。在此基礎(chǔ)上，以高光譜CO2遙感衛(wèi)星資料為主，同時充分利用FY-3號等多源國內(nèi)外系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)，突破高光譜數(shù)據(jù)輻射定標、光譜定標、氣溶膠訂正等一系列關(guān)鍵技術(shù)，初步形成天-地聯(lián)合、全球覆蓋的CO2分布探測能力，填補我國溫室氣體遙感監(jiān)測的技術(shù)空白，提高我國在國際上的碳問題話語權(quán)。

碳衛(wèi)星研制過程中都遇到了哪些技術(shù)挑戰(zhàn)？

（1）衛(wèi)星平臺的挑戰(zhàn)

碳衛(wèi)星是目前國內(nèi)觀測模式最為復雜的民用衛(wèi)星，包括3種對地觀測模式和2種對日對月定標模式。這如同在天上翩翩起舞。這漂亮的舞姿卻讓研制人員捏著一把冷汗。頻繁地改變姿態(tài)意味著大大增加了姿態(tài)穩(wěn)定性的設(shè)計難度，更是增加了衛(wèi)星的運行風險。為此，衛(wèi)星總體上攻克了各種困難，圓滿完成了平臺的研制任務(wù)。

（2）儀器研制的挑戰(zhàn)

為了從空間軌道觀測獲得大氣CO2的精細分子吸收光譜，進而精準確定大氣CO2的含量信息，高光譜CO2探測儀需要有極高的光譜分辨率（達到1/10nm），為此在幾十納米的波長寬度內(nèi)，需要設(shè)有2200多個光譜波段，可以說是目前國內(nèi)光譜分辨率最高的航天高光譜大氣觀測載荷。為此，研究團隊需要研制口徑200mm的大面積全息光柵，之前我國還沒有該尺寸全息光柵的研制經(jīng)歷，更談不上工程應用，研制團隊攻克了大面積光柵曝光系統(tǒng)的難題，制造了國內(nèi)第一塊大面積Sic基底全息光柵，口徑達到200mm，并成功應用于高光譜CO2探測儀航空飛行效飛。

（3）地面系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

除了衛(wèi)星平臺和載荷研制所碰到的困難外，地面系統(tǒng)的建設(shè)，特別是二氧化碳超高光譜反演方法的建立也遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。以往氣象衛(wèi)星所涉及到的反演問題，大多是集中在紅外和微波譜段，而碳衛(wèi)星所涉及到的是可見光和近紅外譜段的反演，機理不同，難度加大。這需要考慮云與氣溶膠、氣壓、溫度、反照率等多因素的影響，重新設(shè)計全新的反演驗證系統(tǒng)。因此，我們集中了國內(nèi)優(yōu)勢單位，建立了老中青結(jié)合，跨部門的研究團隊，開展了聯(lián)合攻關(guān)，終于啃下了碳衛(wèi)星反演的硬骨頭，填補了國內(nèi)技術(shù)空白。除了反演問題之外，超高精度的光譜定標、輻射定標也都是極其具有技術(shù)挑戰(zhàn)性。這些問題被國家衛(wèi)星氣象中心的同志逐一攻克。

與美國和日本衛(wèi)星相比，我們的碳衛(wèi)星有什么特色？

日本GOSAT衛(wèi)星2009年發(fā)射，升空之后遇到制冷機微振動、靈敏度不夠等一系列問題。特別是它的刈幅寬度和采樣點數(shù)遠遠小于我們，致使其有效采樣點數(shù)只有我們的1/10（每天全球大概僅有300個），大大影響了數(shù)據(jù)應用。美國OCO-2衛(wèi)星盡管指標先進，刈幅寬度還是只有我們的1/2，且設(shè)計上出現(xiàn)了一個失誤，一定程度上也影響了數(shù)據(jù)的使用。此外，我們的云與氣溶膠探測儀有9個通道，其中有專門為提高氣溶膠觀測精度所設(shè)計的偏振通道，這都是美國日本所沒有的。我們的碳衛(wèi)星可以在確保全球二氧化碳觀測的同時，完成對全球氣溶膠的綜合觀測。