中國碳衛星數據的應用現狀

文｜劉毅 姚璐 王靖 楊東旭 蔡兆男 盧乃錳 呂達仁

1.中國科學院大氣物理研究所 2.中國氣象局國家衛星氣象中心

一、前言

面對全球氣候快速變化的嚴峻形勢，減少二氧化碳（CO）等溫室氣體的排放成為國際社會的必然選擇。CO排放的定量監測是實現有效減排的重要技術基礎。為實現全球高精度的碳排放監測，星載探測技術得到了廣泛關注，被應用于獲取全球大氣CO濃度分布情況，碳衛星由此應運而生。

中國首顆全球二氧化碳監測科學實驗衛星（TanSat）于2016年12月22日在酒泉衛星發射中心成功發射，設計壽命為3年，是國際上第三顆具有高精度溫室氣體探測能力的衛星。TanSat由科技部立項，是“十二五”期間中國科學院和中國氣象局等多家單位共同承擔的科學實驗衛星計劃，旨在實現區域和全球大氣CO柱平均干空氣混合比（XCO）的高精度探測，為碳排放科學研究提供全球大氣CO濃度資料，對增進全球碳循環過程認識，提升我國在國際氣候變化方面的話語權具有重要意義。

二、TanSat衛星概況

TanSat采用700km的近極地太陽同步軌道，軌道傾角98.2°，在赤道地區的過境時間為當地時間13:30，重訪周期為16天。為了滿足高精度的CO探測需求，TanSat通過天底、太陽耀斑和目標三種模式分別針對陸面、海洋和目標研究區域進行探測。不同觀測模式的交替意味著衛星在飛行過程中需要不斷調整姿態，這要求衛星平臺具有極高的靈活性和穩定性。TanSat采用推掃式進行大氣探測，其掃描視場范圍為沿跨軌方向的-30°～10°，掃描帶寬為20km，每次掃描可同時獲得9個探測點數據，觀測在星下點位置處具有最佳的空間分辨率，為2km×2.3km。為了實現精準的CO探測和XCO反演，TanSat搭載了兩臺有效載荷：超高光譜大氣CO光柵光譜儀（ACGS）和云與氣溶膠偏振成像儀（CAPI），兩臺探測儀器均由中國科學院長春光學精密機械與物理研究所研制。ACGS基于光柵衍射原理，記錄地表反射的太陽后向散射光譜，覆蓋0.76μm的O2-A波段，1.61μm的弱CO吸收波段和2.06μm的強CO吸收波段，三個波段的光譜分辨率分別為0.044nm、0.12nm和0.16nm，信噪比分別為360、250和180。其中，CO弱吸收波段是提取大氣CO濃度的主要波段，O2-A波段和CO強吸收波段能夠在反演中補充地表氣壓、云和氣溶膠信息，降低大氣狀態不確定而導致的系統誤差。CAPI以0.5km的高空間分辨率觀測云和氣溶膠性質，能夠為XCO反演提供氣溶膠同步觀測信息，從而降低云和氣溶膠的不確定性，改善XCO反演精度。

目前，TanSat已在軌運行5年，其二級數據產品也相繼公開發布，包括全球高精度XCO數據集，全球太陽誘導葉綠素熒光（SIF）數據集和全球碳通量數據集，這些數據產品能夠有效補充全球范圍內大氣CO、陸地植被及碳通量的狀態信息，在大氣CO動態監測、全球碳源匯及生態系統植被研究方面具有重要的數據支撐作用。TanSat各項科學數據產品的順利產出標志著我國已初步具備系統化碳監測和應用能力，這將促進對全球碳循環對氣候變化影響的全面理解，為我國的全球氣候變化研究和碳中和目標的實現提供科學支撐。

三、TanSat數據產品

TanSat載荷探測獲得的是高分辨率光譜數據，從光譜數據中提取具有實際物理意義的數據產品還需要反演算法的支持。由于反演精度的要求和復雜干擾因素的影響，實現單個探測點（2km×2.3km）范圍內的高精度XCO遙感反演（<1%）面臨著極大的挑戰。中國科學院大氣物理研究所（以下簡稱大氣所）承擔了TanSat XCO反演算法研發、碳源匯同化系統研發和衛星數據科學應用等工作。

利用自主建立的IAPCAS反演算法，大氣所從弱CO吸收波段反演獲取了第一幅全球陸面XCO分布圖，并提供了第一版TanSat XCO數據產品，經國際碳柱總量地面觀測網（TCCON）的站點數據驗證，TanSat XCO數據精度為2.11ppm；為了提升產品精度，通過在線8階傅立葉級數擬合優化了觀測光譜，利用UoL-FP反演算法從O2-A波段和弱CO吸收波段獲取了第二版本的TanSat XCO數據產品，產品精度為1.47ppm，與國際上其他衛星XCO數據產品具有相同的質量水平。利用改進后的TanSat XCO高精度數據產品，結合“自上而下”的集合卡爾曼濾波碳通量反演系統，大氣所獲取了TanSat首個全球碳通量數據集，時間覆蓋范圍為2017年5月至2018年4月，該估算結果與利用日本GOSAT衛星和美國OCO-2衛星資料的估算結果基本一致，表明了TanSat的全球碳通量監測能力。

除了主要的XCO數據產品，中國科學院空天信息創新研究院采用數據驅動算法從O2-A波段光譜中反演獲得了757nm和771nm兩個窗口內的太陽誘導葉綠素熒光（SIF）發射信號，發布了第一幅TanSat全球SIF分布圖，并公開了觀測點尺度的TanSat SIF數據集。鑒于衛星SIF產品地基驗證的復雜性，大氣所基于簡單物理模型的算法獲取了TanSat SIF數據集，并通過產品對比為衛星SIF反演算法的優化提供了思路。

目前，以上TanSat數據產品均已通過中國碳衛星數據服務平臺（CASA）和國家地球系統科學數據中心公開發布，在全球和區域碳監測和生態系統植被研究中得到了較為廣泛的應用。

四、碳監測應用

TanSat主要數據產品為大氣CO柱濃度數據，表征了大氣中CO濃度分布情況，有助于開展對全球CO分布及變化特征的深入研究，從而加深對全球碳循環的認識，其較高的數據精度不僅能夠有效評估對人為排放的定量監測，同時也能用于實現對全球和區域碳通量的準確估算，為碳源匯分布和氣候變化研究提供關鍵科學信息。

1.全球碳循環研究

全球碳循環是指在地球大氣圈、生態圈、海洋和化石燃料地質貯存這四個主要碳庫之間進行的碳交換過程，涉及生物化學和人為因素等多方面的相互作用和反饋。加強對全球碳循環的認識對于全球氣候變化影響研究和碳中和目標實現具有重要的理論支撐作用。大氣CO濃度的時空分布和變化是碳循環過程的主要表現形式之一，也是認識全球碳循環的最直接方式，TanSat的全球探測能力和高時空分辨率能夠提供全球和區域尺度的大氣CO濃度分布和變化特征，是碳循環研究的重要科學數據。

基于TanSat XCO數據集可以獲得逐月的全球大氣XCO分布圖（圖1），通過對比不同月份的全球大氣CO分布狀況，可以看出全球大氣CO濃度存在明顯的季節性變化特征。2017年3月至5月的北半球春季，由于工業活動和化石燃料燃燒等人為活動的影響，全球CO濃度分布呈現北半球遠高于南半球的特征，特別是中國東部、美國東部和歐洲地區；隨著北半球夏季的來臨，陸地植被的光合作用效率增強，2017年6月至8月北半球CO濃度出現明顯降低，有效反映了生態系統隨季節變化的“固碳”作用。植被的季節性變化導致了南北半球之間XCO的梯度變化特征。由于TanSat較高的空間分辨能力和探測精度，利用全球XCO分布圖也能夠識別出人為活動頻繁的區域，有利于開展重點區域的碳排放研究。從年際尺度上來看，2018年春季南北半球CO濃度明顯高于2017年同期水平，表現了近年來全球大氣CO濃度逐漸升高的變化趨勢。TanSat XCO數據產品能夠全面反映全球CO濃度的季節和年際變化特征，作為全球氣候變化模擬的基礎數據，有助于促進對氣候變化的研究。

圖1 第二版TanSat XCO2逐月全球分布圖[6]

2.人為排放動態監測

人為CO排放是導致全球顯著增溫的主要因素，進行準確的區域CO探測對于監測和控制人為排放過程具有重要的指導意義。傳統的地面觀測通常只能獲取較小范圍內的大氣狀態，并且觀測站點網絡也存在分布不均勻，覆蓋不全面等問題。衛星遙感具有時空連續且覆蓋范圍廣的優點，可以很好地彌補這一缺陷。利用衛星探測光譜反演獲得的大氣CO濃度數據能夠較為全面地反映區域尺度CO濃度的分布和變化情況，有助于快速定位區域CO排放熱點，以便對區域CO排放量進行定量估算。

TanSat獲取的高精度XCO數據產品能夠分辨出高濃度背景下微小的CO濃度變化特征，因此可以用于準確提取由于人為活動造成的CO濃度增加量。同時，TanSat的最佳空間分辨率為2km×2.3km，其在20km的掃描帶寬內具有區域范圍連續探測的能力，為區域人為活動的CO排放監測提供了探測條件。利用TanSat單一軌道探測數據，可以清晰地分辨出衛星掃描軌道上隨著地表覆蓋類型而改變的大氣CO濃度分布情況。通常城市地區具有較高的XCO，在郊區、山區等人為活動較少的區域，XCO較低。TanSat衛星數據對區域大氣CO濃度變化的敏感表征，證明了人為活動是造成大氣CO濃度升高的最主要原因。利用單軌高精度TanSat XCO數據，能夠準確地分辨出排放過程導致的區域CO濃度的增加量，結合風場信息，利用不同的大氣化學傳輸模型可以估算出點源排放（如發電廠、工業排放和火山噴發等）的CO排放量，將估算結果與排放清單的排放效率進行對比，能夠對碳預算和排放政策進行有效評估。基于衛星探測數據建立由點及面的CO排放監測體系能夠為碳中和目標的實現提供更豐富且直觀的科學依據。

3.碳通量估算

人為排放造成了全球氣候的明顯變化，準確估算全球和區域碳通量是積極應對氣候變化的迫切需要，關系著全球碳循環、氣候變化研究和國際氣候談判結果。在中國“雙碳”目標下，陸地碳通量估算結果在很大程度上意味著含碳能源的使用權和碳排放權。當前，全球碳源匯估算依然存在很大的不確定性，獲取能夠明確指示全球和區域碳匯分布和強度的信息，在全球碳盤點計劃中獲得話語權，需要可靠的科學數據產品提供支持。

衛星探測在時空尺度上具有連續性，能夠補充稀疏地面觀測站點無法獲取的空間CO濃度分布信息，為“自上而下”的碳通量反演研究提供了較強的約束。“自上而下”的碳通量估算研究是TanSat XCO數據產品的主要應用目標之一。相較于先驗通量數據，基于第二版TanSat XCO數據產品獲取的全球碳通量數據的誤差顯著降低，證明了TanSat探測數據在反演中提供了有效信息。根據TanSat全球碳通量估算結果，發現春夏兩季歐洲和歐亞大陸北部和溫帶的碳匯被明顯低估，同樣的情況也發生在冬季的北非，這表明TanSat全球碳通量估算結果有助于對全球碳源匯分布和強度產生更為清晰的認識。通過比較不同季節和年份的全球和區域碳通量估算結果，可以明確碳通量的季節性變化特征以及不同氣候事件對碳通量的影響情況，有助于進一步了解碳匯構成，尋找遺失的碳匯，為全球碳循環的深入研究和碳匯利用奠定基礎。

五、生態系統監測應用

植被作為陸地生態圈的重要組成部分，參與全球碳循環中源和匯兩個過程，充分了解植物的呼吸和光合作用過程對準確計算全球碳通量具有重要的作用。植被在自然光照條件下會進行光合作用，在此過程中將會釋放出波長較長的輻射，即太陽誘導葉綠素熒光（SIF）。SIF作為光合作用的伴生物，與光合作用效率相關，是植物光合作用的理想“探針”，能夠及時準確地反映植物光合作用的真實工作狀態并進行植物健康狀況診斷。

SIF強度代表了植被光合作用活力，由于植被生長狀況的季節性周期，TanSat SIF全球分布圖也呈現出與當地植被生長狀態相同的季節性變化特征，在不同季節具有不同的空間分布特征，體現了植被生長狀態對SIF的主導作用。不同的植被類型由于生化過程的差異，其SIF發射強度差異也較為明顯，SIF信號能夠從宏觀尺度對生態系統不同植被的生理過程研究提供信息。同時，植被生長狀態受到濕度、溫度等環境因素的影響，造成SIF發射強度發生改變，衛星SIF數據產品為環境對生態系統植被影響研究提供了新的思路。此外，衛星探測的SIF數據與光合作用的密切相關性，使其在陸地生態系統模型優化、總初級生產力（GPP）估算和全球碳循環研究等方面都具有很高的應用價值。衛星探測尺度的SIF能夠準確估算生態系統GPP，結合同步反演的大氣CO濃度數據，兩者的協同應用將會極大改善對全球碳源匯的估算結果。

六、結束語

TanSat衛星的成功發射和數據產品的陸續發布，標志著我國已具備了全球碳收支的空間定量監測能力。在全球增溫加速、極端天氣事件頻發的如今，準確監測全球CO是有效推動氣候變化研究的重要需求。全球碳盤點計劃和碳中和的目標實現也需要大量科學數據產品提供科學論證和理論支撐。未來，我國將以TanSat研究成果為基礎，研發新一代的溫室氣體監測衛星。第二代碳衛星將建立包含6顆衛星組網的探測方式，加強時空覆蓋程度，為全球CO動態監測提供充足數據，并以1ppm的精度作為目標，為全球碳通量計算提供支持，充分發揮自主知識產權的主動性，服務于“雙碳”戰略目標。