即將入軌的我國首顆測量大氣二氧化碳的專用高光譜衛星

（1 國家衛星氣象中心，2 中科院長春光學精密機械研究所，3 中國科學院微小衛星工程中心）

即將入軌的我國首顆測量大氣二氧化碳的專用高光譜衛星

China's First Dedicated Hyperspectral Satellite for Detecting Consistency of CO2Set to Get into Orbit

楊忠東1畢研盟1王倩1鄭玉權2尹增山3

（1 國家衛星氣象中心，2 中科院長春光學精密機械研究所，3 中國科學院微小衛星工程中心）

氣候變化是當今國際社會普遍關心的重大全球性問題。出于對氣候和環境變化的高度重視，我國政府于2007年正式發布了《中國應對氣候變化國家方案》，表明對全球氣候變化的監測與分析已經不僅是一個涉及國民健康、經濟社會可持續發展的科學和技術問題，而且是一個涉及到國家安全和國際環境外交的政治問題。2016年9月我國正式交存氣候變化《巴黎協定》批準文書，11月4日，《巴黎協定》滿足條件正式生效，同日，我國政府宣布將于2017年啟動全國碳排放權交易市場。在這一形勢下，發展溫室氣體監測能力非常迫切。

于2016年12月下旬即將升空的“全球二氧化碳監測科學試驗衛星”（簡稱“碳衛星”）是我國自主研制，專門用于監測全球二氧化碳（CO2）分布的科學試驗衛星，探測CO2精度達到1～4ppm。“碳衛星”攜帶大氣二氧化碳光柵超光譜儀（ACGS，簡稱高光譜CO2探測儀）、多譜段云與氣溶膠探測儀（CAPl），兩臺儀器協同配合完成“碳衛星”科學使命。其數據經地面應用系統接收處理后，生成全球大氣CO2混合比（XCO2），產品進一步應用于大氣傳輸模式后，可用于CO2排放源、吸收匯研究。各級產品由國家衛星氣象中心負責生成，并對外統一發布。

1 衛星遙感CO2的應用需求

CO2是地球大氣中最重要的溫室氣體成分之一，在全球氣候變化當中扮演重要角色。工業革命以來，由于石油、煤等化石能源的大規模使用，以及毀林、土地過度開發和開墾等活動，導致大氣中二氧化碳、甲烷等溫室氣體濃度急劇上升，引起全球氣候變化。這種變化持續地對自然生態和人類社會經濟系統造成重大影響，引起了國際社會的高度關注。世界各國在努力推進社會和經濟發展的同時，對全球和區域氣候變化表現出極大的憂慮。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，60%的溫室氣體輻射強迫（Radiation Force）是由CO2引起，由于受人類活動影響，作為主要溫室氣體的CO2的濃度現已上升到2500萬年以來的最高值。觀測表明，大氣CO2濃度已經從20世紀50年代約310ppm上升到目前約400ppm，平均年增長率約2ppm。全球大氣CO2濃度增加導致全球平均氣溫升高、永久積雪與冰川的融化、海平面上升已經成為不爭的事實。

CO2主要排放源為人類工業生產活動，主要的吸收匯為地球海洋、陸地生態系統，匯約吸收了人類排放量的一半左右，這些匯限制了CO2在大氣中的持續累積速率。但是，人們對于自然源匯分布的了解仍然不夠精確，尤其是對這些過程需要多長時間來吸收人類排放的CO2仍然不清楚。CO2濃度的這種快速增長引起了人們對于全球變暖、極端氣候的擔憂，預計未來，當大氣中CO2濃度達到約560ppm時，其輻射強迫平均值將為3.7W/m2。

美國、歐洲等發達國家提出利用市場機制，增加碳關稅方式限制CO2排放，解決全球氣候變化問題。因此，監測大氣CO2濃度變化不僅是氣候變化問題，也是社會發展問題。根據美國CO2情報分析中心（CDIAC）統計，2014年中國化石燃料排放CO2達美國2倍，2015年巴黎氣候變化大會，中國承諾CO2排放于2030年左右達到峰值。聯合國氣候變化框架公約（UNFCCC）中也提出了可測量、可報告、可核實的“三可”要求。

因此，在全球范圍內高精度地監測CO2濃度，獲取可靠的觀測數據，已成為開展氣候變化研究、碳交易等工作首要關鍵方面。利用地面觀測站點來監測CO2濃度具有精度高、時間分辨率高、可靠性高的優點，但是這種方法存在明顯的不足：①耗時耗力，難以進行宏觀上的統籌規劃；②受站點位置限制，空間分辨率不高，而且南北兩極以及海洋、沙漠等地區缺少觀測站點；③難以得到痕量氣體的垂直分布信息：通過地基觀測方法得到大氣痕量氣體垂直分布，其高度有限。地面碳柱總量觀測網（TCCON）全球僅有約30個站點，如此稀少的地面觀測數據顯然無法充分監測大氣CO2的源、匯問題。為了全面了解上述過程，需要在全球范圍內確定CO2濃度分布，只有通過衛星遙感的途徑才可以實現這一目標。除此以外，衛星遙感還可以快速、經濟、可重復地獲取宏觀尺度上大氣CO2的信息。因此，需要發展星載CO2遙感技術以提供高精度的、高空間分辨率的全球CO2濃度觀測信息。

2 國際發展動態

2009年1月23日，日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）成功發射了“溫室氣體觀測技術衛星”（GOSAT，也叫“呼吸”），用于監測全球溫室氣體濃度分布。它是世界第一顆專門對溫室氣體CO2和CH4提供高光譜分辨率的全球觀測衛星。“溫室氣體觀測技術衛星”的主要載荷是傅里葉變換光譜儀天梭-FTS（TANSO-FTS）和云/氣溶膠探測儀（CAI）。傅里葉變換光譜儀通過探測地表反射的短波紅外輻射，以及地表和大氣發射的熱紅外輻射，反演CO2、CH4等溫室氣體含量。但是受儀器研制水平、數據處理精度等問題影響，“溫室氣體觀測技術衛星”反演的CO2產品精度、有效數據率并不盡如人意。另外，受觀測幾何的限制，“溫室氣體觀測技術衛星”觀測數據中只有小部分來自耀斑模式的觀測，這很大程度上限制了海洋上的觀測密度。在充分吸收該衛星經驗的基礎上，日本計劃在2017年發射溫室氣體觀測技術衛星-2。

2014年7月1日升空的軌道碳觀測-2是美國航空航天局（NASA）噴氣推進實驗室（JPL）主導的一項重要計劃，擔負的科學任務是觀測全球CO2分布，觀測的精度、分辨率和覆蓋范圍可以描述區域尺度上的源、匯分布，并能定量描述季節變化。軌道碳觀測-2搭載的載荷是高光譜分辨率探測儀，通過對弱CO2吸收帶（1.6μm）、強CO2吸收帶（2.06μm）以及O2-A吸收帶（0.76μm）的觀測光譜進行高精度定量反演，得到每月一次的區域尺度（＞1000km）上柱平均CO2干空氣混合比（XCO2）。此前的2009年2月24日，由于運載火箭有效載荷整流罩異常，美國“軌道碳觀測”發射失敗。2010年，美國航空航天局重啟了“軌道碳觀測”任務，2014年7月，軌道碳觀測-2成功發射。

“碳衛星”高光譜CO2探測儀關鍵指標

3 “碳衛星”科學目標及總體設計

“十二五”期間，中國科學院微小衛星工程中心、長春光學精密機械研究所、國家衛星氣象中心聯合向科技部申請了重大專項—“碳衛星”。該項目面向全球變化國家重大需求和科學研究前沿，以CO2遙感監測為切入點，開展星載高光譜CO2濃度監測儀，云與氣溶膠探測儀，全球CO2濃度監測衛星，CO2反演與驗證系統4個技術研究，實現CO2衛星在軌運行，以獲得全球尤其是我國及其他重點地區大氣CO2濃度分布，探測精度達到1～4ppm，使我國在CO2監測方面達到國際先進水平。“碳衛星”成為繼日本“溫室氣體觀測技術衛星”、美國軌道碳觀測-2之后，世界上第3個專用的CO2監測衛星。

“碳衛星”搭載的2臺有效載荷由長春光學精密機械與物理研究所負責研制；衛星平臺由上海微小衛星工程中心負責研制；地面應用系統由國家衛星氣象中心建設，負責“碳衛星”全球數據接收、預處理、高精度XCO2產品研發，產品精度驗證、存檔和發布。

我國采用的高光譜CO2探測儀技術體制與美國軌道碳觀測-2衛星相似，采用大面積衍射光柵分光技術，設置3個可見、近紅外波段。探測原理是根據大氣分子對太陽光譜的吸收特征，通過測量CO2和O2的吸收光譜來精確測定大氣CO2含量，大相對孔徑光學系統和高靈敏度探測器保證儀器的工作性能，光譜分辨率達到0.044nm，信噪比達到360，保證獲取的高精度CO2光譜具有1～4ppm的CO2含量的反演能力。由于受國內技術水平限制，我國探測器面陣維數低于美國的軌道碳觀測-2，兩個CO2吸收帶上的光譜分辨率也略低于軌道碳觀測-2。

4 觀測模式和定標

作為CO2專用探測衛星，“碳衛星”觀測模式靈活多變。其衛星平臺采用框架面板結構，簡單緊湊、可靠性高。在衛星平臺和指向反射鏡的配合下，高光譜CO2探測儀具備天底、耀斑和目標3種科學觀測模式。當太陽天頂角滿足設定要求時，采用天底觀測模式，這種模式有最高的空間分辨率，但是在海洋上空，信噪比低，觀測數據無法反演出CO2濃度。為解決這一問題，衛星在海洋上空時，當太陽光被洋面鏡面反射時，儀器指向最亮的反射區，稱之為耀斑模式，這種模式將提供足夠的信噪比，反演出高精度的CO2濃度。為觀測全球CO2分布，在16天的重訪周期內，兩種觀測模式將互相轉換。目標模式將用于跟蹤地面的特殊目標（如地面定標站點，源排放區），在約9min的飛越目標區觀測期間內，這一模式可提供對觀測點的大量觀測數據。

“碳衛星”設計有多種星上光譜定標、輻射定標方式。光譜定標采用臨邊方式觀測太陽光譜，太陽光經漫反射板反射后被光譜儀觀測，觀測角度穩定，且光譜數據受氣壓加寬較小，沒有地表反射的影響，因此，適合于檢驗光譜儀線型函數（ILS）的變化。輻射定標方面，設計有專門的定標燈用作輻射定標，除此之外，星上輻射定標還包括了太陽定標、暗信號定標。

高光譜CO2探測儀研制難度極大，在6年的研制中，科學團隊與工程團隊密切配合，解決了研制過程中碰到的一系列復雜的科學和工程問題，已完成整星正樣產品研制、測試，性能指標達到設計要求。

CO2濃度是從觀測到的吸收線深度推算出來的，因此高光譜探測儀的定標精度對于定量反演至關重要。已有研究表明，如果衛星測量的XCO2精度在8°×10°范圍內能達到2ppm精度，應用衛星遙感的CO2產品可明顯提高源、匯反演精度，但是，如果要分辨地球東西方向CO2濃度梯度（僅0.1～2ppm），衛星產品精度需要達到1ppm（相對于400ppm，約0.25%），除此之外，這些觀測數據應該對大氣低層（對流層甚至邊界層）CO2具有較高的敏感性。上述需求給高光譜數據預處理，尤其是輻射定標、光譜定標精度提出了很高的要求。

整個輻射定標測試內容包括了暗信號（Dark Current Response），定標系數和信噪比測試。由于探測器的非線性響應，采用高階多項式定標公式計算增益系數。暗信號的評估在沒有輸入能量的情況下進行。通過兩輪完整的定標實驗的比較分析，結果表明，輻射定標精度達到了設計指標要求，儀器穩定可靠。

高光譜儀器需要準確確定每一個通道的中心波長位置以及線型函數。高光譜CO2探測儀采用可調諧激光器、波長計等設備進行光譜定標。從探測器光譜維可以計算出，3個波段中心波長和線型函數測試數據量總和達22000條，測試工作量巨大，通過研制人員的努力，整個測試實現了自動化進行，完成了對每一個像元光譜維的測量，達到了設計指標要求。

“碳衛星”示意圖

5 預期成果和應用

高光譜CO2探測儀在2015年經過了航空校飛試驗，通過對不同實驗區的飛行觀測，獲得了高分辨率的大氣吸收譜，初步驗證了原理樣機的功能、性能。在“碳衛星”在軌運行后，它將通過國家衛星氣象中心在全球布設的地面站點進行接收，時效在4h左右。各地面站接收到的數據匯集到數據處理中心，進行各級產品的生成和加工。原始數據經過解包質檢后，得到1A級數據，經過定標、定位處理后，生成1B級數據，包含每個通道觀測到的輻亮度信息。

多譜段云與氣溶膠探測儀將提供大氣云和氣溶膠信息，在這些信息的輔助下，高光譜CO2探測儀的一級數據將進一步應用到采用最優估計的2級產品反演中，生成XCO2產品。為檢驗CO2產品精度，地面系統在全國布設了6個站點進行CO2產品精度檢驗，這些站點分別代表了不同的下墊面區域類型，分別是北京（代表中緯度地區）、漠河（代表高緯度地區）、烏魯木齊（代表西部城市地區）、塔中（代表沙漠地區）、廣州（代表低緯度地區）、瓦里關（代表大氣本底）。在這些站點布設的高精度的地面CO2觀測設備，對“碳衛星”二級產品精度進行檢驗。

二級產品經過進一步加工處理，可進一步生成旬、月時間尺度上的三級產品，即全球格點上的XCO2分布產品。這些數據可為全球大氣CO2濃度增長引起的全球氣候變化、海洋酸化、降水格局的變化提供支持，加強對溫室氣體濃度變化與氣候變化機制的認識。在科技部“碳衛星”二期項目的支持下，二級產品還可通過同化技術，應用于全球碳傳輸模式中，進一步反演全球CO2源、匯分布。上述各級產品存儲在國家衛星氣象中心的數據存檔和服務中心，對國內外進行公開發布，供各級研究機構使用。

作為專用的大氣CO2監測衛星，“碳衛星”首先形成了我國具有自主知識產權的大氣CO2濃度探測方法和能力，將使我國擁有第一手的全球遙感CO2數據，極大提升我國在全球CO2監測、排放方面的話語權，為我國在氣候變化研究、國際氣候變化談判等方面提供強有力的支持。其次，“碳衛星”將提升我國高光譜遙感探測系統整體發展水平，填補我國衛星大氣成分觀測方面的技術空白。