我國(guó)溫室氣體觀測(cè)衛(wèi)星建設(shè)及典型數(shù)據(jù)應(yīng)用

文 | 張連翀 徐丹 咸迪 楊東旭

1.中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院

2.國(guó)家對(duì)地觀測(cè)科學(xué)數(shù)據(jù)中心

3.生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心

4.國(guó)家衛(wèi)星氣象中心

5.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所

2023 年3 月聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）發(fā)布的第六次綜合評(píng)估報(bào)告指出，2011—2020年全球地表溫度較工業(yè)化前（1850—1900年）高出1.1℃?；剂先紵屯恋乩玫热祟惢顒?dòng)排放的溫室氣體，已毋庸置疑引起了全球變暖[1]。近年來(lái)，高溫、干旱、暴雨等極端天氣氣候事件頻繁發(fā)生且強(qiáng)度增大，對(duì)未來(lái)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)?？茖W(xué)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)溫室氣體濃度、來(lái)源以及變化趨勢(shì)是溫室氣體排放統(tǒng)計(jì)核算的基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)地面站點(diǎn)監(jiān)測(cè)方法相比，衛(wèi)星遙感具有分辨率高、覆蓋范圍廣、重訪周期短、連續(xù)動(dòng)態(tài)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，為開(kāi)展全球、全國(guó)和區(qū)域尺度溫室氣體監(jiān)測(cè)提供了高精度、基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)支撐。

一、我國(guó)溫室氣體觀測(cè)衛(wèi)星建設(shè)規(guī)模

作為世界上最大的發(fā)展中國(guó)家，我國(guó)堅(jiān)定不移走生態(tài)優(yōu)先、綠色低碳的發(fā)展道路，全面有效落實(shí)《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》及其《巴黎協(xié)定》。《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》提出，我國(guó)力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。

2016 年以來(lái)，在科技部“十二五”863 計(jì)劃地球觀測(cè)與導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域“全球二氧化碳監(jiān)測(cè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星與應(yīng)用示范”項(xiàng)目、風(fēng)云氣象衛(wèi)星工程、高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)和國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2015—2025 年）的推動(dòng)下，我國(guó)自行研制和發(fā)射了5 顆搭載溫室氣體監(jiān)測(cè)載荷的衛(wèi)星，通過(guò)高光譜、激光雷達(dá)等技術(shù)獲取二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）等主要溫室氣體的濃度分布和時(shí)間變化信息，初步形成了全球覆蓋、多尺度、互為補(bǔ)充和驗(yàn)證的遙感業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)與評(píng)估體系。

1． 全球二氧化碳監(jiān)測(cè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（TanSat）

全球二氧化碳監(jiān)測(cè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（簡(jiǎn)稱碳衛(wèi)星）于2016 年12 月22 日發(fā)射，是我國(guó)首顆、國(guó)際上第三顆具有高精度溫室氣體探測(cè)能力的衛(wèi)星。該衛(wèi)星搭載的高光譜溫室氣體探測(cè)儀（ACGS）采用大面積衍射光柵在可見(jiàn)光和近紅外譜段，利用分子吸收譜線探測(cè)CO2等溫室氣體濃度。

衛(wèi)星主要性能指標(biāo)如下：

· 衛(wèi)星質(zhì)量：620kg；

· 溫室氣體載荷：高光譜溫室氣體探測(cè)儀（ACGS）；

· 光譜范圍（μm）：0.758 ～0.776、1.594 ～1.624、2.041 ～2.081；

· 運(yùn)行軌道：700km 太陽(yáng)同步軌道；

· 觀測(cè)對(duì)象：CO2；

· 觀測(cè)模式：天底觀測(cè)、耀斑觀測(cè)和目標(biāo)觀測(cè)。

2．風(fēng)云三號(hào)D 衛(wèi)星（FY-3D）

風(fēng)云三號(hào)D 衛(wèi)星于2017 年11 月15 日發(fā)射，2019 年1 月1 日正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，是我國(guó)低軌道下午氣象觀測(cè)的主業(yè)務(wù)衛(wèi)星。該衛(wèi)星搭載的近紅外高光譜溫室氣體監(jiān)測(cè)儀（GAS）可以獲取CO2、CH4、一氧化二氮（N2O）等主要溫室氣體的濃度分布和時(shí)間變化信息，提高區(qū)域尺度上地表溫室氣體通量的定量估算，分析和監(jiān)測(cè)全球碳源碳匯。

衛(wèi)星主要性能指標(biāo)如下：

· 衛(wèi)星質(zhì)量：2300kg；

· 溫室氣體載荷：近紅外高光譜溫室氣體監(jiān)測(cè)儀（GAS）；

· 光譜范圍（μm）：0.75 ～0.77、1.56 ～1.72、1.92 ～2.08、2.20 ～2.38；

· 運(yùn)行軌道：800km 太陽(yáng)同步軌道；

· 觀測(cè)對(duì)象：CO2、CH4；

· 觀測(cè)模式：天底觀測(cè)。

3．高分五號(hào)衛(wèi)星（GF-5）

高分五號(hào)衛(wèi)星于2018 年5 月9 日發(fā)射，2019年3 月21 日正式投入使用，是世界首顆實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣和陸地綜合觀測(cè)的全譜段高光譜衛(wèi)星。該衛(wèi)星搭載的大氣主要溫室氣體監(jiān)測(cè)儀（GMI），采用空間外差干涉光譜技術(shù)獲取近紅外—短波紅外光譜范圍內(nèi)的遙感數(shù)據(jù)[2]，主要用于獲取CO2、CH4等主要溫室氣體的全球分布，為氣候變化研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

衛(wèi)星主要性能指標(biāo)如下：

· 衛(wèi)星質(zhì)量：2700kg；

· 溫室氣體載荷：大氣主要溫室氣體監(jiān)測(cè)儀（GMI）；

· 光譜范圍（μm）：0.759 ～0.769、1.568 ～1.583、1.642 ～1.658、2.043 ～2.058；

· 運(yùn)行軌道：太陽(yáng)同步軌道，軌道高度705km；

· 觀測(cè)對(duì)象：CO2、CH4；

· 觀測(cè)模式：天底觀測(cè)和耀斑觀測(cè)。

4．高光譜觀測(cè)衛(wèi)星（GF-5 02）

高光譜觀測(cè)衛(wèi)星于2021 年9 月7 日發(fā)射，2023 年4 月4 日正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，是生態(tài)環(huán)境部牽頭研制建設(shè)的首顆具備業(yè)務(wù)化能力的環(huán)境觀測(cè)衛(wèi)星。該衛(wèi)星搭載的大氣主要溫室氣體監(jiān)測(cè)儀（GMI）充分繼承高分五號(hào)衛(wèi)星的成熟技術(shù)，采用天底和耀斑兩種觀測(cè)模式對(duì)陸地和海洋不同地表類型特點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)。

衛(wèi)星主要性能指標(biāo)如下：

· 衛(wèi)星質(zhì)量：2700kg；

· 溫室氣體載荷：大氣主要溫室氣體監(jiān)測(cè)儀（GMI）；

· 光譜范圍（μm）：0.759 ～0.769、1.568 ～1.583、1.642 ～1.658、2.04 ～2.058；

· 運(yùn)行軌道：太陽(yáng)同步軌道，軌道高度705km；

· 觀測(cè)對(duì)象：CO2、CH4；

· 觀測(cè)模式：天底觀測(cè)和耀斑觀測(cè)。

5．大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星（DQ-1）

大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星于2022 年4 月16 日發(fā)射，是世界首顆具備CO2激光探測(cè)能力的衛(wèi)星。該衛(wèi)星搭載的大氣探測(cè)激光雷達(dá)（ACDL），在國(guó)際上首次采用激光路徑差分吸收方法，可全天時(shí)、全天候地獲取CO2濃度變化信息和氣溶膠散射系數(shù)廓線、消光系數(shù)廓線、光學(xué)厚度、邊界層高度等垂直分布信息，彌補(bǔ)以往被動(dòng)觀測(cè)的不足。

衛(wèi)星主要性能指標(biāo)如下：

· 衛(wèi)星質(zhì)量：2800kg；

· 溫室氣體載荷：大氣探測(cè)激光雷達(dá)（ACDL）；

· 運(yùn)行軌道：太陽(yáng)同步軌道，軌道高度705km；

· 觀測(cè)對(duì)象：CO2；

· 觀測(cè)模式：主動(dòng)觀測(cè)。

此外，在國(guó)家一系列政策大力支持和引導(dǎo)下，我國(guó)商業(yè)遙感衛(wèi)星設(shè)計(jì)研發(fā)和制造能力迅速攀升，商業(yè)空間基礎(chǔ)設(shè)施、商業(yè)發(fā)射場(chǎng)與測(cè)控等技術(shù)與系統(tǒng)取得重要成果，越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始參與碳源碳匯遙感監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的建設(shè)或應(yīng)用。

西安中科西光航天科技有限公司于2021 年提出了基于超精細(xì)光譜探測(cè)技術(shù)的商業(yè)碳監(jiān)測(cè)遙感衛(wèi)星星座規(guī)劃，國(guó)內(nèi)首顆商業(yè)甲烷監(jiān)測(cè)衛(wèi)星——XIGUANG-004 衛(wèi)星計(jì)劃于2024 年發(fā)射。該衛(wèi)星質(zhì)量60kg，搭載甲烷濃度探測(cè)儀、葉綠素?zé)晒馓綔y(cè)儀及多光譜成像相機(jī)，具有多種工作模式，能夠滿足衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)“雙碳”目標(biāo)用戶的多方面需求。其中，甲烷濃度探測(cè)儀可實(shí)現(xiàn)0.1nm 的光譜分辨率，具備甲烷柱濃度定量探測(cè)、目標(biāo)地點(diǎn)上方甲烷柱濃度量化等功能；葉綠素?zé)晒馓綔y(cè)儀的光譜分辨率高達(dá)0.5nm，可以有效探測(cè)植物葉綠素光合作用時(shí)產(chǎn)生的微弱熒光光譜變化信息，可以實(shí)現(xiàn)植物生產(chǎn)總量的評(píng)估，對(duì)碳匯交易起指導(dǎo)作用。

山東產(chǎn)研衛(wèi)星信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)研究院有限公司于2022 年啟動(dòng)“全球重點(diǎn)目標(biāo)碳排放監(jiān)測(cè)衛(wèi)星星座”建設(shè)，聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院等機(jī)構(gòu)計(jì)劃2025 年三批次完成11 顆碳衛(wèi)星組網(wǎng)，構(gòu)建針對(duì)工業(yè)園區(qū)、重點(diǎn)企業(yè)的碳排放“發(fā)現(xiàn)+核查”衛(wèi)星監(jiān)視系統(tǒng)，屆時(shí)將具備對(duì)全球10000 個(gè)重點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行高精度碳排放監(jiān)測(cè)能力。

北京未來(lái)碳星空間科技有限公司也于2022年提出了由1 顆全球星和32 顆碳衛(wèi)星（8 個(gè)軌道面、每軌4 星）組成的“未來(lái)碳星計(jì)劃”。每顆衛(wèi)星質(zhì)量約55kg，光譜分辨率為0.3nm，激光通信速率為1.25 ～1.5Gbit/s，通過(guò)搭載高光譜相機(jī)和星間激光通信載荷，實(shí)現(xiàn)在500km 軌道對(duì)全球范圍的CO2和CH4含量快速觀測(cè)，以及重點(diǎn)目標(biāo)小時(shí)級(jí)的觀測(cè)能力。整個(gè)星座的發(fā)射計(jì)劃于2025 年完成。

二、我國(guó)溫室氣體觀測(cè)衛(wèi)星典型數(shù)據(jù)應(yīng)用

1．大氣CO2 柱濃度（XCO2）監(jiān)測(cè)

大氣CO2柱濃度（XCO2）的時(shí)空分布和變化是碳循環(huán)過(guò)程的主要表現(xiàn)形式之一，也是認(rèn)識(shí)全球碳循環(huán)的最直接方式。中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所劉毅研究員團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了碳反演數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)（IAPCAS），反演獲取了TanSat 衛(wèi)星全球XCO2數(shù)據(jù)，精度達(dá)到1.47 ppm[3]，實(shí)現(xiàn)與國(guó)際同類衛(wèi)星（如OCO-2、GOSAT）同等產(chǎn)品精度，數(shù)據(jù)集被歐洲航天局（ESA）作為第三方衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)（TPM）進(jìn)行全球共享，推動(dòng)了中國(guó)科技部與ESA 在溫室氣體衛(wèi)星遙感領(lǐng)域的深度合作；對(duì)全球CO2濃度觀測(cè)資料與中國(guó)氣象局6 個(gè)CO2濃度觀測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)同化，計(jì)算我國(guó)碳通量的時(shí)空分布。研究結(jié)果揭示了之前被低估的中國(guó)地區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯[4]；開(kāi)展了基于中國(guó)碳衛(wèi)星的全球碳通量計(jì)算，獲得了首個(gè)中國(guó)碳衛(wèi)星的通量產(chǎn)品[5]，估算不確定性顯著降低（30% ～50%），這也標(biāo)志著我國(guó)已經(jīng)具備空間監(jiān)測(cè)人為活動(dòng)碳排放的能力。上述里程碑成果，為基于我國(guó)碳衛(wèi)星研究生態(tài)系統(tǒng)碳匯、生物圈- 大氣碳交換、人為源與自然源區(qū)分等碳中和重大科學(xué)問(wèn)題研究奠定了基礎(chǔ)（圖1）。

圖1 IAPCAS 系統(tǒng)在TanSat 的數(shù)據(jù)應(yīng)用——中國(guó)碳衛(wèi)星首幅全球CO2 通量分布圖

2． CH4 排放監(jiān)測(cè)

人為CH4排放也是導(dǎo)致全球顯著增溫的主要因素，進(jìn)行準(zhǔn)確的區(qū)域CH4探測(cè)對(duì)于監(jiān)測(cè)和控制人為排放過(guò)程具有重要的指導(dǎo)意義。中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院通過(guò)高分五號(hào)衛(wèi)星GMI 獲取1.65μm 通道的CH4吸收光譜信息，得到了與國(guó)際同類儀器接近的CH4柱濃度（XCH4）全球分布結(jié)果（圖2）[6]。

圖2 高分五號(hào)衛(wèi)星GMI 反演得到的2018 年9 月平均XCH4 全球分布

生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心利用高光譜綜合觀測(cè)衛(wèi)星于2022 年秋季（7 月1 日—9 月30 日）開(kāi)展了全球大氣CH4監(jiān)測(cè)工作，監(jiān)測(cè)結(jié)果清晰反映出較明顯的緯度分布特征，與TCCON 站點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比，CH4反演精度優(yōu)于20ppm。2022 年9 月北溪天然氣管道泄漏事件引發(fā)國(guó)際社會(huì)廣泛關(guān)注，為了跟蹤該事件的發(fā)展態(tài)勢(shì)，生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心于9 月30 日調(diào)用該衛(wèi)星對(duì)北溪天然氣管道沿線進(jìn)行了應(yīng)急監(jiān)測(cè)，并聯(lián)合武漢大學(xué)、南京大學(xué)等開(kāi)展了CH4排放異常遙感識(shí)別及量化工作，發(fā)現(xiàn)在丹麥博恩霍爾姆島東側(cè)北溪2 號(hào)管線上有一處較為明顯的CH4排放異常，估算排放量約70 t/h（圖3）。

圖3 基于高光譜綜合觀測(cè)衛(wèi)星的北溪天然氣管道沿線CH4 排放異常監(jiān)測(cè)

3． CO2 主動(dòng)探測(cè)

相比被動(dòng)探測(cè)，星載激光雷達(dá)主動(dòng)探測(cè)具有不依賴于光照條件（全天時(shí)）、高空間分辨率、出色的垂直探測(cè)能力、受氣溶膠和云散射影響較小等優(yōu)勢(shì)，通過(guò)沿軌進(jìn)行大氣垂直探測(cè)，實(shí)現(xiàn)精細(xì)尺度、高精度的溫室氣體分布信息獲取，為碳源匯（特別是人為源）、溫室氣體通量、全球碳循環(huán)研究提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的大氣探測(cè)激光雷達(dá)，是國(guó)際上第一個(gè)同時(shí)具備大氣氣溶膠和CO2探測(cè)的載荷，目前已首次獲得全球兩極地區(qū)及全球夜晚的CO2柱濃度，并將與高光譜綜合觀測(cè)衛(wèi)星組網(wǎng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)每天3 次大氣環(huán)境、紅外全球覆蓋。

三、總結(jié)與展望

經(jīng)過(guò)多年的建設(shè)和發(fā)展，我國(guó)溫室氣體觀測(cè)呈現(xiàn)出天-空-地一體化多源數(shù)據(jù)支持的前景，不僅為我國(guó)大氣污染防治和空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐，也為構(gòu)建全球性溫室氣體多星觀測(cè)平臺(tái)作出了貢獻(xiàn)?！笆奈濉逼陂g，我國(guó)將繼續(xù)加大新型衛(wèi)星研發(fā)和應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)力度，進(jìn)一步提升全球主要溫室氣體和大氣污染物遙感監(jiān)測(cè)能力，為支撐國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)、應(yīng)對(duì)全球氣候變化提供遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)支撐。

致謝：本文相關(guān)數(shù)據(jù)由中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心、中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所、中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所、西安中科西光航天科技有限公司、山東產(chǎn)研衛(wèi)星信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)研究院有限公司、北京未來(lái)碳星空間科技有限公司等提供支持，在此一并表示感謝。