中國碳衛星（TanSat）數據產品及國際合作進展

文 | 張連翀 王絲絲 李靜 楊東旭 咸迪

1.中國科學院空天信息創新研究院

2.國家對地觀測科學數據中心

3.國家遙感中心

4.中國科學院大氣物理研究所

5.國家衛星氣象中心

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。為有效掌握全球二氧化碳（CO2）分布現狀及變化趨勢，我國于2016 年成功發射全球二氧化碳監測科學實驗衛星（簡稱碳衛星，TanSat）。六年多來，碳衛星為全面掌握我國溫室氣體排放情況，形成全球大氣污染和氣候變化的監測能力奠定了技術基礎和數據支撐。

一、碳衛星基本情況

碳衛星作為科技部“十二五”863 計劃地球觀測與導航技術領域“全球二氧化碳監測科學實驗衛星與應用示范”項目的重大成果，由中國科學院與中國氣象局共同研制。碳衛星搭載的核心載荷為高光譜溫室氣體探測儀（ACGS），輔助載荷為云與氣溶膠偏振成像儀（CAPI）。其中，ACGS 的工作原理是在可見光和近紅外譜段，利用分子吸收譜線探測CO2等溫室氣體濃度（表1），CAPI 可以測量云、大氣顆粒物等輔助信息，為科學家精確反向推演CO2濃度剔除干擾因素（表2）。

表1 碳衛星ACGS 載荷性能參數

表2 碳衛星CAPI 載荷性能參數

針對陸地、海洋和目標研究區域等不同地表類型，碳衛星分別采用天底觀測模式（Nadir mode）、耀斑觀測模式（Sun-glint mode）和目標觀測模式（Target mode）進行CO2觀測。

二、碳衛星數據產品

依據《全球二氧化碳監測科學實驗衛星數據管理辦法（試行）》，碳衛星數據可以分為原始數據包數據、L0 級數據、L1A 級數據、L1B 級數據、L2 級數據和L3 級數據。其中L1A 級數據是經過幾何定標及地理定位后的數據，L1B 級數據是在L1A 級數據的基礎上經過輻射定標、幾何定標后的數據（表3）。

L2 級數據是在L1B 級數據基礎上經過數據質量篩選、云污染數據剔除、二氧化碳反演、反演結果篩選等一系列算法處理后生成的初級數據產品，例如大氣二氧化碳柱平均干空氣混合比（XCO2）產品；L3 級數據是在L2 級數據的基礎上做進一步處理后得到全球網格數據產品。

中國科學院大氣物理研究所劉毅研究員團隊利用自主研發的碳反演數據分析系統（IAPCAS），于2017 年10 月向全球公開發布了中國碳衛星全球二氧化碳分布圖（圖1），并在隨后幾年的工作中將XCO2數據產品精度從2.11ppm 提升到1.47 ppm 的國際先進水平。

中國科學院空天信息創新研究院劉良云研究員團隊攻克了高精度的葉綠素熒光衛星反演算法關鍵技術，于2018 年3 月發布了中國碳衛星全球葉綠素熒光反演圖（圖2）。與同期的美國OCO-2 衛星產品在空間格局、季節變化特征、取值范圍等相比非常一致，表明中國碳衛星達到了美國OCO-2 衛星這一國際最高水平。

圖2 中國碳衛星全球葉綠素熒光反演圖

三、國際合作進展

碳衛星作為繼日本GOSAT 和美國OCO-2 之后，國際上第三顆具有高精度溫室氣體探測能力的衛星，始終得到美國國家航空航天局（NASA）、日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）和歐洲航天局（ESA）等國外研究機構的高度關注。

2017 年10 月，第14 屆地球觀測組織（GEO）全會“中國日”活動在美國華盛頓特區舉行。其間，碳衛星L1 級數據產品正式通過國家衛星氣象中心和國家綜合地球觀測數據共享平臺對外開放共享。截至2023 年5 月，累計服務英國、美國、日本、德國、法國、芬蘭等6 個國家的29 個科學家團隊，有力支撐了國際碳循環領域的科學研究工作。

2018 年，科技部國家遙感中心將“全球碳源匯時空分布狀況”列為全球生態環境遙感監測年度報告的重點專題之一（圖3），組織國內優勢團隊充分利用中國碳衛星數據技術特點，結合多源遙感數據，監測分析了2010—2017 年全球大氣CO2時空分布格局，全球及重點地區碳源、碳匯的時空分布狀況，探討了全球碳源、碳匯變化的驅動機制，對落實減排成效和有關政策制定具有重要支撐作用。

圖3 《全球生態環境遙感監測2018 年度報告-全球碳源匯時空分布狀況》（中英文版）

2019 年1 月，由中國科學院空天信息創新研究院牽頭承擔的中科院國際大科學計劃培育專項“國際碳衛星觀測數據分析合作計劃（CASA）”正式啟動。該項目旨在促進所有碳監測數據的廣泛應用和共同治理，更好地協作完成“凈零排放”的共同目標。CASA 先后與歐、美、日等國的16個科研團隊建立伙伴關系，匯聚了超過5 個國際觀測計劃的120TB 在線碳觀測數據資源和200 萬億次計算能力，為47 個國家和地區的400 余位學員提供了全球碳減排進程及國內外政策、全球大氣CO2濃度和地表通量同化技術、全球碳排放實時監測技術等領域的國際培訓課程，促進了碳衛星技術和數據的交流與共享，取得了良好的社會效應和國際影響力。

2020 年1 月，科技部國家遙感中心和ESA簽署關于溫室氣體遙感監測及相關事宜合作協議。在中歐雙方共同推動下，目前碳衛星數據及相關產品已納入ESA 第三方任務計劃，并應用于ESA 氣候變化倡議項目中；同時，歐方也將哨兵5 號先導衛星和未來熒光探測衛星任務等的溫室氣體衛星觀測數據及第三方分發權授予中方，并通過國家綜合地球觀測數據共享平臺對外共享，為推動中歐雙方溫室氣體合作研究奠定了數據基礎。

2021 年10 月，中國科學院大氣物理研究所與芬蘭氣象研究所聯合使用中國碳衛星CO2觀測數據和歐洲哨兵衛星的二氧化氮（NO2）觀測數據，選取了我國唐山（2018 年5 月6 日）和日本東京（2018 年3 月29 日）兩個個例，定量計算了人為碳排放和NO2的相關性（圖4）。計算結果和排放清單給出的結果一致，論證了通過聯合應用中國碳衛星和歐洲哨兵衛星的協同觀測，可以對CO2/NO2排放比例進行定量監測。同時，這也標志著我國已經具備空間監測人為活動碳排放的能力。2022 年6 月，該成果成功入選中國生態環境十大科技進展。

圖4 中國碳衛星聯合哨兵衛星監測我國唐山地區人為排放示意圖（2018 年5 月6 日）

四、結語

中國碳衛星作為我國第一代溫室氣體監測專用衛星，實現了空間溫室氣體高精度監測的從無到有。基于碳衛星開展的一系列國際合作，是中國參與并促進數據共享和全球生態文明建設等方面作出的重要貢獻。當前，在科技部國家重點研發計劃等項目的支持下，以碳衛星的研究成果為基礎的下一代碳衛星論證設計工作正在進行中，并將以應用需求與科學需求為出發點，更好地服務于全球和我國雙碳目標的實現。