張 璐，張興贏，曹西鳳，閆歡歡，劉恭舉

（1.中國氣象局中國遙感衛(wèi)星輻射測量和定標(biāo)重點開放實驗室/國家衛(wèi)星氣象中心（國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心），許健民氣象衛(wèi)星創(chuàng)新中心，北京 100081；2.青島科技大學(xué) 理學(xué)院，山東 青島 266061）

0 引言

19 世紀(jì)80 年代后，隨著對全球大氣CO2濃度觀測數(shù)據(jù)的需求，各國分別建立CO2探測地基觀測站。由世界氣象組織（World Meteorological Organization，WMO）協(xié)調(diào)建立的全球大氣監(jiān)測網(wǎng)（Global Atmosphere Watch，GAW），在全球尺度上對大氣中CO2、CH4和其他的溫室氣體進(jìn)行精確、準(zhǔn)確的地面現(xiàn)場測量。GAW 監(jiān)測網(wǎng)約有30 個全球站，400 多個區(qū)域站［1］。此外還有美國大氣和海洋局建立的全球溫室氣體參考網(wǎng)絡(luò)（Global Greenhouse Gas Reference Network，GGGRN），歐洲建立的綜合碳監(jiān)測系（Integrated Carbon Observation System，ICOS）等［2-3］。雖然地基監(jiān)測站點已近大規(guī)模的在布局，但仍然沒有足夠的空間分辨率和覆蓋范圍來量化單個國家向大氣中排放CO2和CH4或量化自然匯的消納量，并且地基觀測在南北極地區(qū)以及海洋尤其稀疏。需要大幅度擴大溫室氣體網(wǎng)絡(luò)，以確定清單遺漏的排放“熱點”或評估國家碳排放管理戰(zhàn)略的有效性。但是海上、南北極建設(shè)和運行站點的困難，使得地基觀測在上述區(qū)域無法進(jìn)行長期觀測。

利用衛(wèi)星遙感高的空間分辨率、全球覆蓋廣的特點監(jiān)測溫室氣體的源匯分布，為碳監(jiān)測、全球尺度碳循環(huán)和氣候變化提供大量觀測數(shù)據(jù)，而且聯(lián)合國氣候變化框架公約科學(xué)技術(shù)組也認(rèn)可了衛(wèi)星遙感在監(jiān)測CO2排放方面的效用［4］。從20 世紀(jì)開始已經(jīng)有多顆衛(wèi)星遙感大氣中的CO2，由于人類活動主要影響近地面的溫室氣體濃度變化，所以對近地面更敏感短波紅外較熱紅外探測器更適合監(jiān)測碳源匯動態(tài)分布［5］。自2003 年起國際上發(fā)射了多顆被動光學(xué)的遙感衛(wèi)星用于監(jiān)測近地面XCO2。例如，國際上歐洲航天局（European Space Agency，ESA）發(fā)射的ENVISAT（ENVIronmental SATellite）衛(wèi)星上的搭載了SCIAMACHY（SCanning Imaging Absorption spectrometer for Atmospheric CartograpHY）探測儀［6］；日本的發(fā)射的GOSAT（Greenhouse Gases Observing Satellite）和 GOSAT-2（Greenhouse Gases Observing Satellite-2）［7-8］；美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的OCO-2（Orbiting Carbon Observatory-2）、OCO-3（Orbiting Carbon Observatory-3）［9-10］；中國的碳衛(wèi)星（TanSat）、高分五號（GaoFen-5，GF-5）以及風(fēng)云 3D（FengYun3D，F(xiàn)Y3D）等［11-13］。

星載被動遙感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、重量輕，并且功耗低，但是由于星載被動遙感技術(shù)機制原理問題，對于高緯度地區(qū)，由于太陽高度角大，光照不充足，被動遙感在高緯度地區(qū)探測缺乏敏感性；依賴于太陽光背景輻射，所以夜間無法觀測；反演強烈受云和氣溶膠影響，對數(shù)據(jù)精度影響大。例如：SCIAMACHY 探測CO2的精度為2%～3%（8×10-6～12×10-6）［14］，雖然經(jīng)過校正后GOSAT-2，OCO-2 以及碳衛(wèi)星的遙感的大氣CO2精度達(dá)到了1×10-6左右［15-16］，但是其損失了大量有效數(shù)據(jù)，此外，受云遮擋的影響有效數(shù)據(jù)又大量損失。

已有多個國家進(jìn)行了基于衛(wèi)星的主動激光雷達(dá)探測XCO2的地面試驗和機載試驗驗證。例如以激光多光束探測的美國ASCENDS（Active Sensing of CO2Emissions over Nights，Days，&Seasons）計劃和我國大氣1 號的雙光束積分路徑差分吸收機制（Integral Path Differential Absorption，IPDA）［17-20］。

我國2022 年4 月發(fā)射的大氣環(huán)境（DQ-1）衛(wèi)星，其探測機制是由系統(tǒng)主動發(fā)出一定波長的電磁并獲取其回波信號完成大氣探測，探測CO2精度高于1×10-6。與被動觀測相比，主動觀測方式不依賴于太陽光，具有全天候、全天時、探測范圍廣的特點，且在對流層底部氣體濃度變化具有較高的敏感性。大氣環(huán)境衛(wèi)星搭載的XCO2探測儀IPDA 激光雷達(dá)通過測量兩束激光在硬目標(biāo)表面的回波信號差異提取CO2氣體濃度信息。

但是美國的SACENDS 計劃在特朗普就任總統(tǒng)之后就取消了，所以國際上主動探測XCO2的星載衛(wèi)星計劃就只有國產(chǎn)的大氣環(huán)境衛(wèi)星。此外歐洲的MERLIN 主動激光雷達(dá)衛(wèi)星機制與我國的大氣環(huán)境衛(wèi)星類似，但是MERLIN 探測XCH4［21］。

本文是對國產(chǎn)大氣環(huán)境衛(wèi)星主動探測CO2的技術(shù)進(jìn)行全面介紹，論文的內(nèi)容安排如下：第2 章介紹大氣環(huán)境衛(wèi)星的硬件指標(biāo)，第3 章介紹大氣環(huán)境衛(wèi)星的反演算法，第4 章介紹初步反演結(jié)果和地面驗證工作，第5 章總結(jié)和未來的研究計劃。

1 大氣環(huán)境衛(wèi)星溫室氣體探測激光雷達(dá)的參數(shù)

2022 年4 月16 日國產(chǎn)大氣環(huán)境衛(wèi)星成功發(fā)射到太陽同步極地軌道，重訪周期為51 d。其上搭載的氣溶膠和碳探測激光雷達(dá)（Aerosol and Carbon Detection Lidar，ACDL）由上海精密光學(xué)機械研究所研制，ACDL 是世界上第一個星載路徑差分吸收激光雷達(dá)儀器，可以用于測量大氣中二氧化碳和氣溶膠。ACDL 發(fā)射兩個相鄰波長的激光脈沖CO2吸收峰1 572.024 nm（on-line），CO2非吸收峰1 572.085 nm（off-line），這兩束激光位置經(jīng)過嚴(yán)格篩選，降低了氣溶膠水汽等因素對反演CO2的影響。此外直徑為1 m 的接收望遠(yuǎn)鏡采集從硬目標(biāo)反射的帶有CO2吸收的回波信號。在脈沖頻率為20 Hz 時，激光發(fā)射器的能量約為75 mJ。雙脈沖間隔200 μs 切換，確保地面上on-line 和off-line 激光光斑重疊（兩束激光中心距離1.5 m）。ACDL 的激光發(fā)散角為0.1 mrad，近地點時對應(yīng)于沿著衛(wèi)星軌道的70 m 足跡。ACDL 儀器的光學(xué)設(shè)計如圖1所示。

3 大氣環(huán)境衛(wèi)星CO2的反演算法

3.1 基本原理

IPDA 激光雷達(dá)交替發(fā)射兩束波長相近的激光，分別稱為on-line 與off-line。on-line 激光位于CO2吸收峰附近吸收較強的位置，其吸收率對CO2濃度的變化較為敏感；off-line 激光遠(yuǎn)離CO2吸收線的中心，位于吸收較弱的位置，作為參考光。由于on-line 和off-line 波長很近，水汽光學(xué)厚度可以忽略不記，氣溶膠等其他因素的影響相互抵消，可由兩波數(shù)差分信號得到CO2的濃度信息［23-27］。下文將詳細(xì)介紹IPDA 機制探測XCO2的物理原理。

首先假設(shè)硬目標(biāo)的散射類型為郎伯散射，則on-line 與off-line 處雷達(dá)方程如下：

式中：P(λon)、P(λoff)分別為on-line 和off-line 的激光脈沖回波功率；Q為目標(biāo)反射率；E為發(fā)射激光脈沖信號強度；teff激光雷達(dá)回波信號的有效脈沖寬度；A為有效接收器面積；R為雷達(dá)系統(tǒng)到硬目標(biāo)距離；Topt為儀器輻射傳輸影響；Tatm為其他大氣成分的輻射傳輸影響；nCO2(r)為CO2分子數(shù)密度；σ(λon，r)為CO2分析吸收截面。

兩式相除可得：

定義DAOD為差分吸收光學(xué)厚度（Differential Absorption Optical Depth，DAOD）。

由于理想氣體狀態(tài)方程可得空氣分子數(shù)密度nair(r)為

式中：p(r)為壓強；k為玻爾茲曼常數(shù)；T(r)為溫度；r為海拔高度。

因此，干空氣分子數(shù)密度ndryair(r)可表示為

依據(jù)流體靜力學(xué)方程和理想氣體狀態(tài)方程，壓強與高度的關(guān)系為

將式（7）和式（8）帶入式（3）可得

最終可得大氣層頂?shù)降孛嬲麄€積分路徑干空氣CO2加權(quán)柱濃度為

3.2 反演流程

大氣環(huán)境衛(wèi)星的IPDA 的數(shù)據(jù)處理主要分為以下幾步：

步驟1背景信號扣除。

雷達(dá)信號中包含有背景輻射和系統(tǒng)暗電流等噪聲能量，且通過比值的無法直接消除。因此，在數(shù)據(jù)使用前應(yīng)減去背景信號，保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確定。

步驟2回波信號濾波去噪。

采用滑動平均濾波器或小波分析、經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解、變分模態(tài)分解等方法進(jìn)行噪聲去除。

步驟3幾何因子校正。

由于差分吸收激光雷達(dá)兩個探測波長來自不同的固體激光器，兩者幾何因子不同，需要對2 個波長的幾何因子進(jìn)行校正。目前通過激光雷達(dá)回波信號校正幾何因子的方法有單通道幾何因子校正和雙通道幾何因子校正。

步驟4DAOD 計算。

DAOD 可由傳感器獲取的觀測數(shù)據(jù)直接計算得到，具體計算公式如下：

步驟5CO2權(quán)重函數(shù)。

采用表面壓強、溫度、水汽廓線等大氣狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行CO2權(quán)重函數(shù)計算，計算公式如式（10）所示。輔助數(shù)據(jù)可由歐洲中期天氣預(yù)報中心（European Center for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）［29］。

在實際反演中，由于溫度、壓強及水汽含量的變化，吸收截面積的計算需要消耗大量的時間。為提高計算效率，可構(gòu)建針對不同溫度、壓強、波長下的CO2吸收截面積查找表，以實現(xiàn)CO2實時動態(tài)監(jiān)測。

步驟6CO2加權(quán)柱濃度計算。

由權(quán)重函數(shù)和DAOD 計算得到0～R高度范圍內(nèi)CO2加權(quán)柱濃度結(jié)果：

5 大氣環(huán)境衛(wèi)星反演XCO2 結(jié)果和地面驗證

利用大氣環(huán)境衛(wèi)星上搭載的ACDL 激光雷達(dá)反演了2022 年6 月XCO2的結(jié)果，并與大全球碳柱總量觀測網(wǎng)（Total Carbon Column Observing Network，TCCON）測量結(jié)果進(jìn)行了驗證。

2022 年6 月晝夜ACDL 監(jiān)測的全球XCO2結(jié)果如圖2 所示。為滿足精度和信噪比要求（1×10-6精度），對148 個回波進(jìn)行平均（8 s 積分時間，沿軌道50 km）。盡管激光雷達(dá)可以穿透云層獲得云下回波，但部分厚云是不可穿透或者穿透后信噪比也很低，這部分?jǐn)?shù)據(jù)影響探測精度，所以圖2 顯示不包括云反射的激光信號反演的XCO2。

圖2 大氣環(huán)境衛(wèi)星探測2022 年6 月全球XCO2晝夜圖Fig.2 Daytime and nighttime XCO2 retrieved from the ACDL in June 2022

如圖2（a）所示，白天的XCO2值范圍約為（390.0～430.0）×10-6，具有較大的南北極梯度。6 月北半球的平均XCO2比南半球高約10.0×10-6，原因是CO2的人為來源較大，植被的光合作用速率較低。XCO2的高值出現(xiàn)在北半球中緯度（10～40° N），特別是在北美、西歐、南亞和東亞。這一特征與人類活動的化石燃料排放密切相關(guān)。此外還顯示中東和北非的XCO2相對較高，這可能是由于這些地區(qū)光合作用較少。在高緯度（60～90° N）觀察到較低的XCO2值（＜405×10-6），這與海洋和植被光合作用的強烈吸收有關(guān)。由于人類活動減少，XCO2值隨著緯度的增加而逐漸降低。在非洲南部、澳大利亞和南美洲，化石燃料排放導(dǎo)致XCO2增強。

圖2（b）顯示了由激光雷達(dá)探測得出的第一個全球夜間XCO2分布。通過對6 月全球探測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，夜間XCO2的平均值比白天高約7.5×10-6，特別是在植被密集和人類活動密集的地區(qū)晝夜XCO2濃度差異會更大。此外，發(fā)現(xiàn)盡管極地地區(qū)人類活動較少，但XCO2并不明顯低于周邊地區(qū)。

為了驗證ACDL 激光雷達(dá)探測XCO2精度，我們選擇了2 個TCCON 站點比對（能獲取觀測數(shù)據(jù)的站點）。圖3 顯示了大氣環(huán)境衛(wèi)星探測點和TCCON 位置（大氣環(huán)境衛(wèi)星觀測與TCCON 時空匹配為：2°緯度/經(jīng)度范圍和2 h 觀測時間內(nèi)，對比中濾掉了被云層和海洋污染的大氣環(huán)境衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)）。對比發(fā)現(xiàn)ACDL 與香河站點的平均偏差為0.48×10-6，標(biāo)準(zhǔn)差為1.48×10-6，ACDL 與Sodankyl? 站點的平均偏差為0.80×10-6，標(biāo)準(zhǔn)差為1.99×10-6。由于目前大氣環(huán)境衛(wèi)星和TCCON 站點匹配的結(jié)果有限，無法進(jìn)行大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計比較。未來在獲取更多數(shù)據(jù)后，我們將進(jìn)行更全面的驗證研究［30-31］。

此外TCCON 計算XCO2如下：

式（15）與式（11）相比，大氣環(huán)境衛(wèi)星探測的XCO2為二氧化碳廓線加權(quán)后的積分，而TCCON 探測XCO2為廓線的直接積分。所以目前使用TCCON 與大氣環(huán)境衛(wèi)星探測XCO2對比，主要是監(jiān)測衛(wèi)星探測二氧化碳穩(wěn)定性。

6 結(jié)束語

本文研究了介紹了大氣環(huán)境衛(wèi)星上搭載的星載積分路徑差分吸收激光雷達(dá)探測XCO2的原理和初步結(jié)果，從結(jié)果可以看出相比被動探測，主動探測的精度高、時空覆蓋廣而且可以晝夜不間斷觀測。與TCCON 站點比較平均偏差小于1×10-6。這些數(shù)據(jù)為研究二氧化碳源匯提供新視角。但是由于衛(wèi)星在軌時間有限，對于衛(wèi)星測量XCO2的精度需要進(jìn)一步工作，而且由于主動探測和被動探測機制不同，地面TCCON 觀測的XCO2能不能可以對主動探測XCO2進(jìn)行驗證這一點值得進(jìn)一步研究。此外積分路徑差分吸收激光雷達(dá)在軌定標(biāo)的工作也是未來工作的重點