我國躋身第3個可提供碳衛星數據國家 可獲取全球二氧化碳監測數據

我國在去年發射了首顆用於監測全球大氣二氧化碳含量的科學實驗衛星。 （資料圖片）

「中國新一代靜止軌道氣象衛星『風雲四號』和首顆全球二氧化碳監測科學實驗衛星（簡稱碳衛星）的數據產品將對全球用戶免費開放！」在日前舉行的地球觀測組織（GEO）第14屆全會「中國日」活動上，中國代表宣布了這一重大消息

這一消息發布當日，碳衛星數據產品率先正式開放共享。至此，中國成為繼日本、美國之後，第3個可以提供碳衛星數據的國家。未來，彙集約140天的數據可製作一張無縫隙全球覆蓋的二氧化碳監測圖。這顆碳衛星將對充分了解全球碳循環過程及其對全球氣候變化的影響，發揮重要作用。

「碳」測圖無縫隙全球覆蓋

可獲取覆蓋全球的二氧化碳監測數據

主流氣候學家認為，人類活動排放的二氧化碳是導致近200年間大氣二氧化碳濃度急劇上升和全球變暖的主要推手。

在此基礎之上，學界一直圍繞兩點進行研究：一方面，如果二氧化碳濃度持續上升，溫度會不會也隨之持續上升？氣候系統對二氧化碳的變化有著怎樣的反饋機制？另一方面，也是更為關鍵的碳源匯問題——每年自然和人為分別向大氣中排放了多少二氧化碳？地球系統又能夠消化吸收其中的多少？

不難想到，準確、實時掌握全球大氣中二氧化碳的濃度變化對指導人類減緩和適應氣候更替將發揮至關重要的作用。碳衛星在一定程度上為這個問題提供了解決方案，它可以獲取覆蓋全球的二氧化碳監測數據。

目前，碳衛星數據每天更新。用戶可以按照日期和區域定製下載碳衛星的全球數據。那麼，它一天的覆蓋觀測範圍有多大呢？碳衛星地面應用系統總指揮、國家衛星氣象中心副主任張鵬介紹，碳衛星是一顆標準的近極地太陽同步衛星，每天在距地球700公里高度的軌道上空圍著地球南北兩極繞圈飛行，一天能跑14圈到15圈。碳衛星上的全球二氧化碳監測儀每軌可以收集到軌道東西向20公里範圍內的地球大氣高光譜解析度信息。如此算下來，碳衛星一天所獲數據能夠覆蓋約300公里的區域。

地球赤道的周長約4萬公里，從理論上說，如果拿到140天左右、2000條軌道的觀測數據，就能獲取一張無縫隙全球覆蓋的二氧化碳監測圖。需要注意的是，在衛星行進途中，遇到雲層遮擋時，無法獲取大氣二氧化碳信息，會留有大片數據空缺的區域。「根據美國同類衛星OCO-2的經驗，一般積累半年觀測資料，能獲得一組全球覆蓋相對完整的數據；積累一年觀測資料，通過不斷重複觀測把縫隙、雲缺觀測數據填充上，才能提供一套完整的全球二氧化碳監測數據。」張鵬說。

對於此次中國碳衛星數據向國際開放，中方專家團隊還有一個期待：如果中、美、日3家碳衛星數據能形成互補關係，或許將可以在一定程度上解決完整數據獲取周期長的問題。

數據「生產線」層層對接

確保全球二氧化碳碳源匯分布數據質量

想要將碳衛星的全球觀測資料完整無誤地接收下來，還需要衛星和地面接收站的強強聯手，彙集到位於北京的資料處理中心。由於碳衛星為全球運行，國家衛星氣象中心依託「風雲」極軌衛星的地面接收站網布局，使用一個極區高緯度站（瑞典基律納站）和兩個國內站（烏魯木齊站和佳木斯站）組合接收碳衛星的全球資料。特別是在基律納站的幫助下，可以確保碳衛星每一軌資料都能當天及時傳回地面，保證了觀測資料「不在衛星上過夜」。作為碳衛星地面應用系統的總指揮，張鵬對這一點非常自豪。

數據接收還只是碳衛星數據「生產線」的開始，要向用戶提供可以使用的科學數據，還要經曆數據預處理和產品定量反演等科技含量極高的工作。

衛星接收的是原始觀測資料，無法直接被科學家使用。所以，首先需要對碳衛星的原始觀測資料進行加工預處理，它的主要環節包括定位、輻射定標和光譜定標，科學家需要深入了解遙感儀器的工作原理和星上設計，技術難度極高。

張鵬介紹，定位就是看資料位於哪裡。定標分成兩個方面，因為要識別大氣中二氧化碳吸收的譜線很窄，輻射定量化精度極高，光譜解析度極高，技術挑戰非常大。比如光譜解析度，需要在1納米的範圍內設計10個到30個探測通道，對這些通道的數據標定出精準的波長。之後，原始數據就會「變身」光學信號，也就成為具有科學意義的一級數據。而這背後正是科學家們多年的聯合攻關，才啃下了這塊有著很高技術難度的「硬骨頭」。

碳衛星數據「生產線」到這裡，就能提供給科學家由其反演二氧化碳濃度「化身」而來的二級數據；再與相關模式結合，得到全球二氧化碳碳源匯的分布。

與此同時，只有從源頭保障一級數據正確，才能確保二氧化碳濃度反演正確。張鵬說，在軌測試的這半年中，他們找到了碳衛星與美國OCO-2觀測條件、觀測軌道、觀測區域完全一樣的一軌，認真比對後發現，兩顆衛星觀測資料的一致性非常好。「這說明，在數據質量這一塊，我們的碳衛星與美國的OCO-2同屬一個量級。」

為大氣治理提供科學依據

將對指導人類減緩和適應氣候更替發揮重要作用

2009年，日本成功發射了全球首顆碳衛星GOSAT；2014年，美國航空航天局（NASA）成功發射了OCO-2。從實踐來看，二氧化碳觀測衛星對於氣候變化研究具有重大推動作用。

以美國為例，今年10月，NASA劉俊傑團隊通過分析兩年多來的OCO-2數據後發現，受厄爾尼諾現象影響，某些熱帶地區比平時釋放更多二氧化碳。這項研究解釋了「這些年來，人類活動的排放量大致相同，全球新增二氧化碳從哪裡來的」這個重要科學問題。

隨著中國碳衛星數據的開放共享，全球3顆二氧化碳觀測衛星在軌，將給人類二氧化碳排放量監測和全球碳循環研究帶來更多可能。比如，科學家將能夠更好地觀察到高排放地區二氧化碳濃度升高，甚至個別發電廠和工業中的泄漏。另外，通過將遙感技術與大氣、海洋和陸地的計算機模型相結合，科學家或將能夠把碳排放中的人類影響與自然過程分開。

當前，我國科學家對於碳衛星的數據需求可謂非常迫切。此前，中科院開展碳循環模式研究的多名科學家已經開始引入日本、美國碳衛星的二級資料。對於此次碳衛星數據全球開放共享，中科院、中國氣象局、國內高校相關領域的科學家都高度關注。

具體到碳衛星數據的應用前景，張鵬介紹，碳衛星數據可以為我國未來大氣治理工作提供科學依據，為IPCC第六次報告提供中國國內自主觀測數據，也可以提供給國家氣候中心用作全球氣候變化模擬基礎數據。另外，這些數據也是目前生態植被研究中非常需要的。

張鵬表示，目前已開放的是碳衛星一級資料，資深用戶已經可以用來反演二氧化碳信息。「我們正在不斷測試碳衛星的演算法和產品，下一步，會推出應用更為廣泛的二級數據，做出真正的全球二氧化碳分布圖，為應對全球氣候變化作出中國貢獻。」張鵬說。

二級產品即二氧化碳反演技術，技術難度極高。目前，國家衛星氣象中心正在聯合中科院和有關高校的專家攻關，希望在不久的將來能夠為用戶提供穩定可靠的二級產品。（經濟日報·中國經濟網記者 郭靜原 通訊員 盧 健）

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