大氣、二氧化碳甲烷天空一體化監(jiān)測研究進(jìn)展

薛勇

我國的碳中和目標(biāo)涉及了二氧化碳以及其他一些溫室氣體。在二氧化碳和溫室氣體的監(jiān)測領(lǐng)域，是未來非常重要的基礎(chǔ)性工作。

大氣中二氧化碳變量是影響全球氣候變暖的一個(gè)主要因素。碳存在于任何地方，按照物理學(xué)的物質(zhì)平衡原理，整個(gè)地球碳總量在理論上是不變的，只是它以不同的形式存在于各種地方，如陸地、海洋、大氣。工業(yè)、化石、能源、交通甚至人類生活等都會(huì)產(chǎn)生二氧化碳，并以某種方式釋放在大氣中。2019年，大氣中的二氧化碳濃度達(dá)到一個(gè)非常高的峰值，415億噸。

提到全球氣候變暖，首先想到的是二氧化碳，但甲烷溫室效應(yīng)能力是二氧化碳的23倍，它使氣候變暖的能力非常高，且濃度比工業(yè)化之前高150倍。從氣體特點(diǎn)上來講，二氧化碳穩(wěn)定且壽命長，甲烷不穩(wěn)定壽命短，所以甲烷的量比二氧化碳少很多。稻田里、化石燃料、垃圾填埋、畜牧業(yè)等都產(chǎn)生大量的甲烷，北極凍土消融之后，也有很多甲烷被釋放出來。如果能夠充分利用甲烷，便是以另外一種方式降低二氧化碳的排放。

對(duì)溫室氣體的測量，一般會(huì)運(yùn)用地籍測量、航空測量、衛(wèi)星測量，通過繁衍算法推算二氧化碳、甲烷等氣體的含量。地籍測量技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟且有歷史。早在1948年，我國已經(jīng)使用地籍測量法測量了大氣中的光譜曲線。二氧化碳和甲烷的地籍測量主要是利用西周光譜作為地基臺(tái)站測量，早期在夏威夷、南極開啟，而后WMO世界氣象組織，建立了全球大氣觀測系統(tǒng)，我國也在20世紀(jì)80、90年代建立了三個(gè)區(qū)域本體站和全球本體站。例如，瓦里關(guān)全球大氣本底站是我國跟世界氣象組織共享數(shù)據(jù)的一個(gè)中國本底數(shù)據(jù)站。

目前，全球有32個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)和110個(gè)區(qū)域的本體站，對(duì)于地球遼闊的空間來說，無法支撐整個(gè)地球在地圖上二氧化碳的存在量測量。于是，便用衛(wèi)星、航空測量，航空測量到目前為止仍沒有成為系統(tǒng)，只是有個(gè)別實(shí)驗(yàn)。如日本曾利用航空公司，在飛機(jī)上面裝上兩個(gè)傳感器，它把空氣采樣測量之后做測量測算。我們國家也做了一些實(shí)驗(yàn)，包括航空攝影和航空測量實(shí)驗(yàn)。利用民用航空器來采集大氣樣本，然后拿回來做分析。除此之外，我國家還做了激光雷達(dá)的航空測量，但是它是短時(shí)間內(nèi)的密集的測量，如果長時(shí)間測量造價(jià)太高。

這種情況下，如果用衛(wèi)星來做會(huì)更省錢省力，衛(wèi)星的優(yōu)勢在于它是全球大范圍監(jiān)測，而且它可以長時(shí)間持續(xù)飛行，像一個(gè)非常連續(xù)、穩(wěn)定的空中車輛。衛(wèi)星遙感監(jiān)測第一步是把衛(wèi)星發(fā)射上天，建立衛(wèi)星平臺(tái)；第二步裝上傳感器，通過傳感器波段與空間分辨率等獲得數(shù)據(jù)；第三步是數(shù)據(jù)下來后，建立一個(gè)物理模型，把數(shù)據(jù)繁衍成需要的二氧化碳濃度。衛(wèi)星測量主要采用三個(gè)模式，第一個(gè)是紅外，可以看到熱輻射的波動(dòng)；第二個(gè)用近紅外，這是需要反射的；第三種是主動(dòng)的激光雷達(dá)，不同的衛(wèi)星搭載不同的傳感器。

2002年，德國布萊梅大學(xué)做的名為sky market傳感器數(shù)據(jù)產(chǎn)品現(xiàn)已廣泛被使用，驗(yàn)證了衛(wèi)星測量的優(yōu)勢可行性之后，各國后續(xù)做了一系列衛(wèi)星，包括我國的碳衛(wèi)星，如2016年發(fā)了一個(gè)碳衛(wèi)星TANSAT，以及其他國家發(fā)射的OCO等。每個(gè)衛(wèi)星都有自己的特色， sky market作為最早的衛(wèi)星，精度比較差，約為12～14個(gè)ppm，但做全球氣候變化研究要求測量精度要小于1%，需在1～2ppm，sky market達(dá)不到，但它可以做大氣污染監(jiān)測，所以這顆衛(wèi)星在大氣污染監(jiān)測方面應(yīng)用很多。我國的碳衛(wèi)星TANSAT精度就達(dá)到2～4ppm，已經(jīng)接近做氣全球氣候變化研究的要求。除此之外，衛(wèi)星遙感還有范圍大小的問題，如果范圍很大，那么它的分辨率就比較低，實(shí)操二氧化碳監(jiān)測的時(shí)候，可能會(huì)對(duì)準(zhǔn)每個(gè)發(fā)電廠，需要針對(duì)一個(gè)小區(qū)域，了解它的排放量，這些問題對(duì)于遙感的方式來說是個(gè)挑戰(zhàn)。

在目前衛(wèi)星分辨率不夠精確的前提下，如何建立一個(gè)非常好的算法，能夠通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)而得到較高的空間分辨率，以滿足1%的精度要求的算法？現(xiàn)階段，會(huì)盡量把幾種觀測手段聯(lián)合起來使用，以避免觀測數(shù)據(jù)受到環(huán)境及其他因素的影響。同時(shí)，衛(wèi)星觀測的時(shí)候有幾種模式，比如說垂直向地球觀測，或臨邊觀測、斜著觀測等各種模式。目前我國的風(fēng)云衛(wèi)星上面有幾個(gè)傳感器跟馬斯特衛(wèi)星類似，它的優(yōu)勢是性能比較穩(wěn)定，目前一直在天上飛，誤差相對(duì)大點(diǎn)。

做二氧化碳排放量的監(jiān)測、污染，歐洲環(huán)境衛(wèi)星被使用的非常廣泛，衛(wèi)星搭載的傳感器由荷蘭氣象局與美國聯(lián)合設(shè)計(jì)，這個(gè)傳感器能夠測量二氧化碳、臭氧、二氧化硫、甲烷、一氧化氮等，其數(shù)據(jù)已被廣泛使用，而且非常穩(wěn)定。唯一的遺憾就是它的空間分辨率比較粗糙，但精度非常好。

所以我們也開拓了一些商業(yè)衛(wèi)星的使用，上文提到衛(wèi)星在天上飛的時(shí)候，很難對(duì)一個(gè)地區(qū)做定點(diǎn)測量，商業(yè)衛(wèi)星的好處在于可以針對(duì)需求，只要給錢，就可以實(shí)現(xiàn)客戶指定的地方拍攝。我國風(fēng)云也帶了一些傳感器，可以做這個(gè)測量，但總的來說都存在反演精度不高，達(dá)不到1%的要求。

衛(wèi)星發(fā)射的時(shí)候，它有個(gè)理論精度，還有一個(gè)實(shí)際最終產(chǎn)品的精度，這是稍微有些差異的。其實(shí)衛(wèi)星在設(shè)計(jì)的時(shí)候，是希望能夠測量到二氧化碳濃度，但是后來發(fā)現(xiàn)它的精度始終是達(dá)不到想要的要求。簡而言之，所有衛(wèi)星它們能測量的就是二氧化碳和甲烷的重濃度，衛(wèi)星上得到的是重濃度數(shù)據(jù)，從天頂?shù)教斓紫拢孛鏈y量對(duì)比會(huì)發(fā)現(xiàn)中間是有很大的差距。所以，有的傳感器還可以做這個(gè)擴(kuò)線測量，是未來的衛(wèi)星發(fā)展的一個(gè)趨勢。