跨年喜訊：這顆碳衛星不一般

12月22日3時22分，我國在酒泉衛星發射中心，用長征二號丁運載火箭，將首顆全球二氧化碳監測科學實驗衛星（簡稱「碳衛星」）發射升空，成為美國、日本之後，國際上第三顆碳監測衛星

來自中科院大氣物理研究所的多名科研人員，在碳衛星的研製和數據應用方面，承擔了重要任務，發揮了關鍵作用。

下面讓我們一起來了解這顆不一樣的碳衛星吧：

01

碳衛星，長什麼樣？

碳衛星由衛星平台、高精度CO2探測儀與氣溶膠探測儀組成，這可不是一雙慧眼，而是一排慧眼。

碳衛星採用高光譜與高空間解析度CO2探測儀為主載荷，多譜段雲與氣溶膠探測儀為輔助載荷。

碳衛星的主載荷是一台高光譜解析度光柵光譜儀，可以將衛星接收到的光信號在光譜上展開，這樣一來，大氣CO2的吸收光譜就能清晰可見，原理類似於稜鏡將白色光分解為彩虹光，但是精密程度要高很多。

光柵分光原理

主載荷覆蓋短波紅外的氧氣A吸收帶和CO2吸收帶。其中，O2A吸收帶用於訂正由於大氣氣溶膠和雲的散射效應對反演精度的影響。大氣CO2的濃度由CO2吸收帶光譜最終反演得到。

短波紅外大氣CO2吸收波段

a）1.61μm的CO2弱吸收帶

b）2.04μm的CO2強吸收帶

吸收光學厚度：

CO2（藍色）CH4（綠色）水汽（紅色）

摘自楊東旭博士論文

2

碳衛星，什麼原理？

大氣在太陽光照射下，CO2分子會呈現光譜吸收性，碳衛星通過精確測其光譜吸收線，可以反演出大氣的CO2濃度。

說白了，一切都會暴露在陽光之下。

大氣分子吸收CO2是根據量子力學原理，在光譜上形成特定區域、特定形狀的吸收線，同時這些吸收線又受到氣體含量、環境溫度和氣壓等要素的影響。

碳衛星觀測大氣CO2吸收光譜，該光譜在太陽光進入大氣後，經過大氣吸收、分子散射、雲和氣溶膠散射和地表反射後，被衛星觀測到。

太陽光經過大氣CO2吸收後會產生特殊的光譜結構，即吸收線。CO2含量越高，吸收越強，表現出吸收線越深，因此通過對吸收線的觀察可以獲取大氣CO2的含量。

精度

通過觀測吸收光譜，可以反演獲得大氣CO2的含量，甚至垂直分布。但這對探測儀器的精度要求極高，要求衛星觀測大氣CO2濃度的精度在月平均、區域尺度上達到1-4ppm（ppm百萬分之一），才能有用於全球碳排放估算和氣候變化研究。

而目前大氣中CO2濃度僅為400ppm，因此相對精度優於1%，這在大氣定量遙感的研究領域中是極為困難的，對載荷的指標、定標和反演的要求都是苛刻的。

全物理

反演通過模擬輻射傳輸的物理過程，再現出觀測光譜，因此得名「全物理」方法。

這需要精準再現輻射傳輸過程，需要演算法計算精確，模型恰當不繁瑣冗餘，建立的反演演算法才能準確、高效。

尤其重要的是，在輻射傳輸過程中，水汽、溫度、氣溶膠、雲、地表反射和植被熒光發射等參數均會產生較大的影響。因此，在反演過程中，如何降低這些影響，將直接關係到最終數據的質量。

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基於GOSAT數據的CO2反演產品(Yang et al., 2015)

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調整

反演首先假設大氣中CO2的含量和參數，通過對比衛星觀測光譜和模擬計算光譜，可以判斷是哪些量不準確，再調整各參數，改善模擬和觀測之間的差異，以此循環。

直到衛星觀測光譜和模擬計算光譜的差異達到可被認可的狀態，才最終得到大氣CO2的濃度。

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演算法精度驗證結果與標準地基觀測TCCON (Yang et al., 2015)

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反演原理圖

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3

碳衛星的慧眼，怎樣看？

可以斜著看：耀斑觀測模式利用太陽在海面上的鏡面反射提高性噪比，獲取海面上空的二氧化碳數據。

可以豎著看：天體觀測模式，利用地面漫反射特性，開展地面CO2觀測。

還可以跳著舞看：由於多種觀測模式要交互進行，所以衛星要做相應的姿態調整，不知不覺間就跳起了優美的華爾茲。

3種觀測模式

1

傳統的星下點觀測

用於陸表上空的常規觀測

2

目標模式觀測

用於針對特殊目標地區的長時間、多頻次觀測

3

洋面耀斑觀測

用于海面、水面上空的觀測，水體在短波紅外通道通常較暗，利用鏡面反射提高信號強度。

4

碳衛星，地球的體檢醫生

碳衛星每16天對地球做一次全面體檢，檢測數據發送到地面，經過解析和處理，最終形成不同地區、不同季節的體檢報告。

碳衛星就像使用照相機對CO2拍照一樣，獲得大氣中CO2的狀態。

藉助於碳同化系統，通過大氣傳輸過程對CO2進行溯源，最終獲得碳排放數據，也就是通過狀態量，估算出排放量。

這將使我國獲得全球和區域碳排放（碳源匯）數據集，在大氣CO2監測方面躋身國際前列，提升我國在國際碳排放方面的話語權。

5

碳衛星與大氣所

碳衛星科學應用首席科學家呂達仁院士、科學應用首席科學家助理劉毅研究員，均來自於我所。

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左2：呂達仁院士；右2：劉毅研究員

12月22日，他們見證了碳衛星的發射過程

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在碳衛星工程發射場工作彙報會上，呂達仁院士代表衛星科學應用團隊發言：

盡全力發揮科學團隊的智慧和力量，最大限度地挖掘碳衛星監測數據的應用潛力，為國家的碳監測和氣候變化研究做出應有貢獻。

劉毅研究員團隊

中層大氣與全球環境探測重點實驗室（LAGEO）

在863計劃地球觀測與導航技術領域「全球二氧化碳監測科學實驗衛星與應用示範」重大項目中，承擔大氣二氧化碳業務化反演演算法研究。碳專項的重要成果：二氧化碳高精度反演演算法（1.5ppm）將為碳衛星實現監測目標奠定科學基礎。

田向軍研究員團隊

國家氣候與環境科學中心（ICCES）

在863碳衛星二期應用項目中承擔了碳通量同化系統研製任務，該系統將成為碳衛星最終應用產品-全球和區域碳通量計算的核心內容。

碳專項

在剛剛結束的科學院戰略性科技先導專項「碳專項」中，項目4「衛星反演的凈排放」的成果可以直接應用到碳衛星。

碳專項關於生態系統固碳、氣溶膠效應等多個項目的成果也將在區域碳通量的監測與定量評估中發揮重要作用。

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碳衛星得以成真，離不開我們的科學團隊的應用數據，包括反演大氣co2濃度和通量：

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從衛星監測到源匯估算過程

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同時，作為科學實驗衛星，碳衛星也依賴科學團隊明確科學需求，以此為牽引，對衛星觀測方式和載荷提出設計要求和優化方案：

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碳星科學層面工作方向，從科學需求牽引和論證到最終數據的科學應用

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6

碳衛星的接力賽

碳衛星是最先進的科學與技術的完美結合，由中國科學院和國家氣象局等多個優勢單位接力完成：

1

碳衛星的研製和成功發射，為後續的研究提供了技術基礎

2

在衛星在軌測試的基礎上，突破衛星數據的高精度定標；

3

CO2濃度的高精度反演，這是最關鍵一步。既是863碳衛星重大項目的關鍵指標，也是決定我國從衛星定量監測的「大國」邁向「強國」的試金石。

4

CO2通量的高精度反演

7

碳衛星，意義非凡

正如國家遙感中心李加洪總工程師所說：

持家先要有賬本，這『賬本』就是我們自己監測的碳排放量。

如今，在全球變暖、極端天氣等嚴峻的氣候變化形勢面前，減少CO2等溫室氣體的排放成為必然選擇。碳排放的量化監測是各國最終實現溫室氣體減排的重要技術基礎。

在所有的碳排放量監測手段中，目前只有星載高光譜溫室氣體探測技術，既能對CO2等溫室氣體濃度進行高精度探測，又能獲取全球各區域的氣體濃度分布數據。

正因如此，各發達國家紛紛研發專用衛星。但由於技術難度極高，此前僅有兩顆衛星能從太空監視地球溫室氣體排放：一顆由日本2009年發射，一顆由美國2014年發射。

而我國自己的碳衛星，使我們在大氣CO2監測方面躋身國際前列。

有了碳衛星，掌握全球的CO2分布狀況，在碳排放數據上知己知彼，對提升我國在國際氣候變化方面的話語權具有重要意義。

最後祝賀碳衛星發射成功，也感謝科學家們為此所做的卓越貢獻

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本文所需資料，由中科院大氣物理研究所中層大氣和全球環境探測重點實驗室（LAGEO）劉毅研究員、楊東旭、蔡兆男整理提供，在此致謝

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