文｜劉毅 姚璐 王靖 楊東旭 蔡兆男 盧乃錳 呂達(dá)仁

1.中國科學(xué)院大氣物理研究所 2.中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心

一、前言

面對全球氣候快速變化的嚴(yán)峻形勢，減少二氧化碳（CO）等溫室氣體的排放成為國際社會的必然選擇。CO排放的定量監(jiān)測是實(shí)現(xiàn)有效減排的重要技術(shù)基礎(chǔ)。為實(shí)現(xiàn)全球高精度的碳排放監(jiān)測，星載探測技術(shù)得到了廣泛關(guān)注，被應(yīng)用于獲取全球大氣CO濃度分布情況，碳衛(wèi)星由此應(yīng)運(yùn)而生。

中國首顆全球二氧化碳監(jiān)測科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（TanSat）于2016年12月22日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，設(shè)計壽命為3年，是國際上第三顆具有高精度溫室氣體探測能力的衛(wèi)星。TanSat由科技部立項(xiàng)，是“十二五”期間中國科學(xué)院和中國氣象局等多家單位共同承擔(dān)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星計劃，旨在實(shí)現(xiàn)區(qū)域和全球大氣CO柱平均干空氣混合比（XCO）的高精度探測，為碳排放科學(xué)研究提供全球大氣CO濃度資料，對增進(jìn)全球碳循環(huán)過程認(rèn)識，提升我國在國際氣候變化方面的話語權(quán)具有重要意義。

二、TanSat衛(wèi)星概況

TanSat采用700km的近極地太陽同步軌道，軌道傾角98.2°，在赤道地區(qū)的過境時間為當(dāng)?shù)貢r間13:30，重訪周期為16天。為了滿足高精度的CO探測需求，TanSat通過天底、太陽耀斑和目標(biāo)三種模式分別針對陸面、海洋和目標(biāo)研究區(qū)域進(jìn)行探測。不同觀測模式的交替意味著衛(wèi)星在飛行過程中需要不斷調(diào)整姿態(tài)，這要求衛(wèi)星平臺具有極高的靈活性和穩(wěn)定性。TanSat采用推掃式進(jìn)行大氣探測，其掃描視場范圍為沿跨軌方向的-30°～10°，掃描帶寬為20km，每次掃描可同時獲得9個探測點(diǎn)數(shù)據(jù)，觀測在星下點(diǎn)位置處具有最佳的空間分辨率，為2km×2.3km。為了實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的CO探測和XCO反演，TanSat搭載了兩臺有效載荷：超高光譜大氣CO光柵光譜儀（ACGS）和云與氣溶膠偏振成像儀（CAPI），兩臺探測儀器均由中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所研制。ACGS基于光柵衍射原理，記錄地表反射的太陽后向散射光譜，覆蓋0.76μm的O2-A波段，1.61μm的弱CO吸收波段和2.06μm的強(qiáng)CO吸收波段，三個波段的光譜分辨率分別為0.044nm、0.12nm和0.16nm，信噪比分別為360、250和180。其中，CO弱吸收波段是提取大氣CO濃度的主要波段，O2-A波段和CO強(qiáng)吸收波段能夠在反演中補(bǔ)充地表氣壓、云和氣溶膠信息，降低大氣狀態(tài)不確定而導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差。CAPI以0.5km的高空間分辨率觀測云和氣溶膠性質(zhì)，能夠?yàn)閄CO反演提供氣溶膠同步觀測信息，從而降低云和氣溶膠的不確定性，改善XCO反演精度。

目前，TanSat已在軌運(yùn)行5年，其二級數(shù)據(jù)產(chǎn)品也相繼公開發(fā)布，包括全球高精度XCO數(shù)據(jù)集，全球太陽誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒猓⊿IF）數(shù)據(jù)集和全球碳通量數(shù)據(jù)集，這些數(shù)據(jù)產(chǎn)品能夠有效補(bǔ)充全球范圍內(nèi)大氣CO、陸地植被及碳通量的狀態(tài)信息，在大氣CO動態(tài)監(jiān)測、全球碳源匯及生態(tài)系統(tǒng)植被研究方面具有重要的數(shù)據(jù)支撐作用。TanSat各項(xiàng)科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的順利產(chǎn)出標(biāo)志著我國已初步具備系統(tǒng)化碳監(jiān)測和應(yīng)用能力，這將促進(jìn)對全球碳循環(huán)對氣候變化影響的全面理解，為我國的全球氣候變化研究和碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供科學(xué)支撐。

三、TanSat數(shù)據(jù)產(chǎn)品

TanSat載荷探測獲得的是高分辨率光譜數(shù)據(jù)，從光譜數(shù)據(jù)中提取具有實(shí)際物理意義的數(shù)據(jù)產(chǎn)品還需要反演算法的支持。由于反演精度的要求和復(fù)雜干擾因素的影響，實(shí)現(xiàn)單個探測點(diǎn)（2km×2.3km）范圍內(nèi)的高精度XCO遙感反演（<1%）面臨著極大的挑戰(zhàn)。中國科學(xué)院大氣物理研究所（以下簡稱大氣所）承擔(dān)了TanSat XCO反演算法研發(fā)、碳源匯同化系統(tǒng)研發(fā)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)科學(xué)應(yīng)用等工作。

利用自主建立的IAPCAS反演算法，大氣所從弱CO吸收波段反演獲取了第一幅全球陸面XCO分布圖，并提供了第一版TanSat XCO數(shù)據(jù)產(chǎn)品，經(jīng)國際碳柱總量地面觀測網(wǎng)（TCCON）的站點(diǎn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，TanSat XCO數(shù)據(jù)精度為2.11ppm；為了提升產(chǎn)品精度，通過在線8階傅立葉級數(shù)擬合優(yōu)化了觀測光譜，利用UoL-FP反演算法從O2-A波段和弱CO吸收波段獲取了第二版本的TanSat XCO數(shù)據(jù)產(chǎn)品，產(chǎn)品精度為1.47ppm，與國際上其他衛(wèi)星XCO數(shù)據(jù)產(chǎn)品具有相同的質(zhì)量水平。利用改進(jìn)后的TanSat XCO高精度數(shù)據(jù)產(chǎn)品，結(jié)合“自上而下”的集合卡爾曼濾波碳通量反演系統(tǒng)，大氣所獲取了TanSat首個全球碳通量數(shù)據(jù)集，時間覆蓋范圍為2017年5月至2018年4月，該估算結(jié)果與利用日本GOSAT衛(wèi)星和美國OCO-2衛(wèi)星資料的估算結(jié)果基本一致，表明了TanSat的全球碳通量監(jiān)測能力。

除了主要的XCO數(shù)據(jù)產(chǎn)品，中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院采用數(shù)據(jù)驅(qū)動算法從O2-A波段光譜中反演獲得了757nm和771nm兩個窗口內(nèi)的太陽誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒猓⊿IF）發(fā)射信號，發(fā)布了第一幅TanSat全球SIF分布圖，并公開了觀測點(diǎn)尺度的TanSat SIF數(shù)據(jù)集。鑒于衛(wèi)星SIF產(chǎn)品地基驗(yàn)證的復(fù)雜性，大氣所基于簡單物理模型的算法獲取了TanSat SIF數(shù)據(jù)集，并通過產(chǎn)品對比為衛(wèi)星SIF反演算法的優(yōu)化提供了思路。

目前，以上TanSat數(shù)據(jù)產(chǎn)品均已通過中國碳衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)平臺（CASA）和國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心公開發(fā)布，在全球和區(qū)域碳監(jiān)測和生態(tài)系統(tǒng)植被研究中得到了較為廣泛的應(yīng)用。

四、碳監(jiān)測應(yīng)用

TanSat主要數(shù)據(jù)產(chǎn)品為大氣CO柱濃度數(shù)據(jù)，表征了大氣中CO濃度分布情況，有助于開展對全球CO分布及變化特征的深入研究，從而加深對全球碳循環(huán)的認(rèn)識，其較高的數(shù)據(jù)精度不僅能夠有效評估對人為排放的定量監(jiān)測，同時也能用于實(shí)現(xiàn)對全球和區(qū)域碳通量的準(zhǔn)確估算，為碳源匯分布和氣候變化研究提供關(guān)鍵科學(xué)信息。

1.全球碳循環(huán)研究

全球碳循環(huán)是指在地球大氣圈、生態(tài)圈、海洋和化石燃料地質(zhì)貯存這四個主要碳庫之間進(jìn)行的碳交換過程，涉及生物化學(xué)和人為因素等多方面的相互作用和反饋。加強(qiáng)對全球碳循環(huán)的認(rèn)識對于全球氣候變化影響研究和碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)具有重要的理論支撐作用。大氣CO濃度的時空分布和變化是碳循環(huán)過程的主要表現(xiàn)形式之一，也是認(rèn)識全球碳循環(huán)的最直接方式，TanSat的全球探測能力和高時空分辨率能夠提供全球和區(qū)域尺度的大氣CO濃度分布和變化特征，是碳循環(huán)研究的重要科學(xué)數(shù)據(jù)。

基于TanSat XCO數(shù)據(jù)集可以獲得逐月的全球大氣XCO分布圖（圖1），通過對比不同月份的全球大氣CO分布狀況，可以看出全球大氣CO濃度存在明顯的季節(jié)性變化特征。2017年3月至5月的北半球春季，由于工業(yè)活動和化石燃料燃燒等人為活動的影響，全球CO濃度分布呈現(xiàn)北半球遠(yuǎn)高于南半球的特征，特別是中國東部、美國東部和歐洲地區(qū)；隨著北半球夏季的來臨，陸地植被的光合作用效率增強(qiáng)，2017年6月至8月北半球CO濃度出現(xiàn)明顯降低，有效反映了生態(tài)系統(tǒng)隨季節(jié)變化的“固碳”作用。植被的季節(jié)性變化導(dǎo)致了南北半球之間XCO的梯度變化特征。由于TanSat較高的空間分辨能力和探測精度，利用全球XCO分布圖也能夠識別出人為活動頻繁的區(qū)域，有利于開展重點(diǎn)區(qū)域的碳排放研究。從年際尺度上來看，2018年春季南北半球CO濃度明顯高于2017年同期水平，表現(xiàn)了近年來全球大氣CO濃度逐漸升高的變化趨勢。TanSat XCO數(shù)據(jù)產(chǎn)品能夠全面反映全球CO濃度的季節(jié)和年際變化特征，作為全球氣候變化模擬的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，有助于促進(jìn)對氣候變化的研究。

圖1 第二版TanSat XCO2逐月全球分布圖[6]

2.人為排放動態(tài)監(jiān)測

人為CO排放是導(dǎo)致全球顯著增溫的主要因素，進(jìn)行準(zhǔn)確的區(qū)域CO探測對于監(jiān)測和控制人為排放過程具有重要的指導(dǎo)意義。傳統(tǒng)的地面觀測通常只能獲取較小范圍內(nèi)的大氣狀態(tài)，并且觀測站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)也存在分布不均勻，覆蓋不全面等問題。衛(wèi)星遙感具有時空連續(xù)且覆蓋范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，可以很好地彌補(bǔ)這一缺陷。利用衛(wèi)星探測光譜反演獲得的大氣CO濃度數(shù)據(jù)能夠較為全面地反映區(qū)域尺度CO濃度的分布和變化情況，有助于快速定位區(qū)域CO排放熱點(diǎn)，以便對區(qū)域CO排放量進(jìn)行定量估算。

TanSat獲取的高精度XCO數(shù)據(jù)產(chǎn)品能夠分辨出高濃度背景下微小的CO濃度變化特征，因此可以用于準(zhǔn)確提取由于人為活動造成的CO濃度增加量。同時，TanSat的最佳空間分辨率為2km×2.3km，其在20km的掃描帶寬內(nèi)具有區(qū)域范圍連續(xù)探測的能力，為區(qū)域人為活動的CO排放監(jiān)測提供了探測條件。利用TanSat單一軌道探測數(shù)據(jù)，可以清晰地分辨出衛(wèi)星掃描軌道上隨著地表覆蓋類型而改變的大氣CO濃度分布情況。通常城市地區(qū)具有較高的XCO，在郊區(qū)、山區(qū)等人為活動較少的區(qū)域，XCO較低。TanSat衛(wèi)星數(shù)據(jù)對區(qū)域大氣CO濃度變化的敏感表征，證明了人為活動是造成大氣CO濃度升高的最主要原因。利用單軌高精度TanSat XCO數(shù)據(jù)，能夠準(zhǔn)確地分辨出排放過程導(dǎo)致的區(qū)域CO濃度的增加量，結(jié)合風(fēng)場信息，利用不同的大氣化學(xué)傳輸模型可以估算出點(diǎn)源排放（如發(fā)電廠、工業(yè)排放和火山噴發(fā)等）的CO排放量，將估算結(jié)果與排放清單的排放效率進(jìn)行對比，能夠?qū)μ碱A(yù)算和排放政策進(jìn)行有效評估。基于衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)建立由點(diǎn)及面的CO排放監(jiān)測體系能夠?yàn)樘贾泻湍繕?biāo)的實(shí)現(xiàn)提供更豐富且直觀的科學(xué)依據(jù)。

3.碳通量估算

人為排放造成了全球氣候的明顯變化，準(zhǔn)確估算全球和區(qū)域碳通量是積極應(yīng)對氣候變化的迫切需要，關(guān)系著全球碳循環(huán)、氣候變化研究和國際氣候談判結(jié)果。在中國“雙碳”目標(biāo)下，陸地碳通量估算結(jié)果在很大程度上意味著含碳能源的使用權(quán)和碳排放權(quán)。當(dāng)前，全球碳源匯估算依然存在很大的不確定性，獲取能夠明確指示全球和區(qū)域碳匯分布和強(qiáng)度的信息，在全球碳盤點(diǎn)計劃中獲得話語權(quán)，需要可靠的科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品提供支持。

衛(wèi)星探測在時空尺度上具有連續(xù)性，能夠補(bǔ)充稀疏地面觀測站點(diǎn)無法獲取的空間CO濃度分布信息，為“自上而下”的碳通量反演研究提供了較強(qiáng)的約束。“自上而下”的碳通量估算研究是TanSat XCO數(shù)據(jù)產(chǎn)品的主要應(yīng)用目標(biāo)之一。相較于先驗(yàn)通量數(shù)據(jù)，基于第二版TanSat XCO數(shù)據(jù)產(chǎn)品獲取的全球碳通量數(shù)據(jù)的誤差顯著降低，證明了TanSat探測數(shù)據(jù)在反演中提供了有效信息。根據(jù)TanSat全球碳通量估算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)春夏兩季歐洲和歐亞大陸北部和溫帶的碳匯被明顯低估，同樣的情況也發(fā)生在冬季的北非，這表明TanSat全球碳通量估算結(jié)果有助于對全球碳源匯分布和強(qiáng)度產(chǎn)生更為清晰的認(rèn)識。通過比較不同季節(jié)和年份的全球和區(qū)域碳通量估算結(jié)果，可以明確碳通量的季節(jié)性變化特征以及不同氣候事件對碳通量的影響情況，有助于進(jìn)一步了解碳匯構(gòu)成，尋找遺失的碳匯，為全球碳循環(huán)的深入研究和碳匯利用奠定基礎(chǔ)。

五、生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測應(yīng)用

植被作為陸地生態(tài)圈的重要組成部分，參與全球碳循環(huán)中源和匯兩個過程，充分了解植物的呼吸和光合作用過程對準(zhǔn)確計算全球碳通量具有重要的作用。植被在自然光照條件下會進(jìn)行光合作用，在此過程中將會釋放出波長較長的輻射，即太陽誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒猓⊿IF）。SIF作為光合作用的伴生物，與光合作用效率相關(guān)，是植物光合作用的理想“探針”，能夠及時準(zhǔn)確地反映植物光合作用的真實(shí)工作狀態(tài)并進(jìn)行植物健康狀況診斷。

SIF強(qiáng)度代表了植被光合作用活力，由于植被生長狀況的季節(jié)性周期，TanSat SIF全球分布圖也呈現(xiàn)出與當(dāng)?shù)刂脖簧L狀態(tài)相同的季節(jié)性變化特征，在不同季節(jié)具有不同的空間分布特征，體現(xiàn)了植被生長狀態(tài)對SIF的主導(dǎo)作用。不同的植被類型由于生化過程的差異，其SIF發(fā)射強(qiáng)度差異也較為明顯，SIF信號能夠從宏觀尺度對生態(tài)系統(tǒng)不同植被的生理過程研究提供信息。同時，植被生長狀態(tài)受到濕度、溫度等環(huán)境因素的影響，造成SIF發(fā)射強(qiáng)度發(fā)生改變，衛(wèi)星SIF數(shù)據(jù)產(chǎn)品為環(huán)境對生態(tài)系統(tǒng)植被影響研究提供了新的思路。此外，衛(wèi)星探測的SIF數(shù)據(jù)與光合作用的密切相關(guān)性，使其在陸地生態(tài)系統(tǒng)模型優(yōu)化、總初級生產(chǎn)力（GPP）估算和全球碳循環(huán)研究等方面都具有很高的應(yīng)用價值。衛(wèi)星探測尺度的SIF能夠準(zhǔn)確估算生態(tài)系統(tǒng)GPP，結(jié)合同步反演的大氣CO濃度數(shù)據(jù)，兩者的協(xié)同應(yīng)用將會極大改善對全球碳源匯的估算結(jié)果。

六、結(jié)束語

TanSat衛(wèi)星的成功發(fā)射和數(shù)據(jù)產(chǎn)品的陸續(xù)發(fā)布，標(biāo)志著我國已具備了全球碳收支的空間定量監(jiān)測能力。在全球增溫加速、極端天氣事件頻發(fā)的如今，準(zhǔn)確監(jiān)測全球CO是有效推動氣候變化研究的重要需求。全球碳盤點(diǎn)計劃和碳中和的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)也需要大量科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品提供科學(xué)論證和理論支撐。未來，我國將以TanSat研究成果為基礎(chǔ)，研發(fā)新一代的溫室氣體監(jiān)測衛(wèi)星。第二代碳衛(wèi)星將建立包含6顆衛(wèi)星組網(wǎng)的探測方式，加強(qiáng)時空覆蓋程度，為全球CO動態(tài)監(jiān)測提供充足數(shù)據(jù)，并以1ppm的精度作為目標(biāo)，為全球碳通量計算提供支持，充分發(fā)揮自主知識產(chǎn)權(quán)的主動性，服務(wù)于“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)。