衛星遙感碳監測技術研究進展

＊吳春花 李維軍,2* 盧響軍

（1.石河子大學化學化工學院 新疆 832000 2.石河子市生態環境監測站 新疆 832000 3.新疆生產建設兵團生態環境第四監測站 新疆 830000）

2020年9月，我國明確提出2030年“碳達峰”和2060年實現“碳中和”的目標[1]。雙碳的提出，使我國未來經濟社會發展的基本要求轉變為綠色、低碳發展模式。全球自然環境十分脆弱，生態環境對發展的約束強烈，碳排放底數不清。自工業化以來，全球大氣二氧化碳（CO2）濃度正以每年3.9～6.0mg/m3的速度快速增加，截止2019年全球平均氣溫已上升了1.1℃，全球變暖已然成為全球性環境問題，對可持續發展帶來了嚴峻的挑戰[2]。高綠化等[3]認為碳源是人為活動導致的CO2排放，碳匯是生態系統的凈碳吸收，全球CO2濃度分布的空間格局和時間變化是碳源、碳匯以及大氣傳輸作用的綜合結果。

1.“碳中和”目標背景下的碳匯

自然碳匯是實現國家“碳中和”目標的重要途徑。含碳的陸地生態系統包括：森林碳匯、草地碳匯以及海洋碳匯等。森林固碳和海洋固碳是我國實現“碳中和”目標的重要手段，要充分發揮好森林固碳和海洋固碳的優勢，降低我國實現碳中和的成本，以最優成本分步實現碳中和。森林固碳是生態系統對大氣中CO2的吸收，并將其在植物或土壤中的固碳量，其中包括陸地上生物質碳、地下生物質碳和土壤碳三部分。海洋固碳也是自然碳匯的重要區域之一，在吸收、轉化、埋藏CO2等碳循環過程中起到了關鍵作用[4]。雖然目前我國海洋碳匯具有一定的研究基礎，但還需更加透徹地理解海洋碳匯的意義。

估算碳源碳匯，需要利用衛星遙感監測數據與基地觀測數據進行時空匹配，實現全方位大氣中CO2濃度的測定，為碳監測研究、碳循環、碳減排提供重要的科學依據。

2.研究現狀

目前，衛星遙感碳監測發展面臨著標準不明確、計量不準確、技術不成熟、協同效率低等問題。在此形勢下，衛星遙感碳監測的發展成為必然趨勢，而研究其未來發展的戰略導向、體系架構以及應用探索更有助于“雙碳”目標的實現[5]。從衛星發展來看，第一代衛星主要的任務是突破碳監測衛星的關鍵技術，所以總體探測效率較低，難以滿足全球和區域碳監測需求[6]。為了解決這一需求，第二代碳監測衛星主要提高空間和時間的分辨率。

表1 綜合性遙感碳監測衛星的參數

(1)綜合性衛星遙感碳監測

近年來，許多綜合衛星上都裝載了探測CO2有效成分的光學載荷。2017年11月，“風云三號”D（FY-3D）極軌氣象衛星發射成功，是我國第二代極軌氣象衛星風云三號的第4顆衛星，首次搭載紅外高光譜大氣探測儀（High-spectral Resolution Infrared Atmospheric Sounder，HIRAS），實現全球、全天候、多光譜、三維、定量遙感[7]。2018年5月，“高分五號”（GF-5）衛星成功發射，是我國第一顆高光譜觀測衛星。熊偉[8]探究了GF-5衛星上搭載溫室氣體監測儀（Greenhouse gases Monitoring Instrument，GMI）的原理，利用空間外差光譜技術（Spatial Hetero-dyne Spectroscopy，SHS）獲取精細吸收光譜的數據，主要是獲取全球溫室氣體CO2和CH4柱濃度。2022年8月，在我國太原成功發射首顆陸地生態系統碳監測衛星“句芒號”，配置多波束激光雷達、多角度多光譜相機、超光譜探測儀、多角度偏振成像儀等4種載荷，還搭載火點檢測敏感器，可實現森林火災實時探測[9]。

FY-3D、GF-5和“句芒號”衛星，將具有碳遙感監測功能的載荷連接到綜合衛星平臺上。這些載荷在目標的選擇性、空間和光譜分辨率、反演精度和碳監測器存在很大差異，使得高精度的定性監測很困難。與第一代碳監測衛星相比，下一代衛星在空間分辨率、探測精度和探測幅寬方面都有所提高，但是這些載荷不是探測大氣中溫室氣體的專用衛星。

繼2002年ENVISAT衛星發射成功后，歐洲航天局又成功發射了多顆碳源匯監測衛星。ENVISAT上搭載了大氣繪圖掃描成像吸收光譜儀（SCanning Imaging Absorption spectrometer For Atmospheric CartograpHY，SCIAMACHY），是首個采用短波紅外獲取高精度大氣CO2數據的綜合性星載儀，位于800km太陽同步軌道上，覆蓋了從紫外到短波紅外的工作波段，分光色散系統的主色散元件采用平面光柵衍射。但受空間和光譜分辨率的限制，獲取的CO2濃度的數據精度比較低，無法完全、準確地獲取全球碳匯[10]。Dhanyalekshmi Pillai等[10]研究了碳監測衛星（CarbonSat）在城市碳排放方面的潛力，使用具有溫室氣體預測模型（WRF-GHG）組成的高分辨率建模框架和貝葉斯反演方法，模擬柱平均CO2干空氣摩爾分數（XCO2）的城市大氣觀測數據，從CarbonSat XCO2觀測數據中推導出人為CO2排放及其誤差。結果表明，單個立交橋檢索到的柏林二氧化碳排放量的隨機誤差（RE）通常小于8～10Mt CO2yr-1，有助于實現城市尺度排放通量的目標。

(2)典型衛星遙感碳監測

2018年10月，日本溫室氣體觀測衛星（Gree-nhouse gases Observing SA Tellite-2，GOSAT-2）開始在軌運行，搭載了熱-近紅外傳感器傅里葉變換光譜儀（TANSO-FTS-2）和云-氣溶膠成像儀（TANSO-CAI-2），GOSAT-2檢測在短波紅外（SWIR）區域近地表面反射太陽輻射的吸收光譜，以及大氣發射的熱紅外輻射（TIR）。TANSO-FTS-2測量O2A的波長位于0.76μm、用于探測弱CO2（WCO2）和強CO2（SCO2）的波長。Hiroshi Suto等[11]研究發現TANSO-FTS和TANSO-FTS-2測量的光譜分辨率在SWIR波段平均偏差2%和標準偏差0.5%以內，在220～320K范圍內，TANSO-FTS-2與AIRS-IASI的亮度溫度一致性優于1K。

2014年7月，在加利福尼亞州的空軍基地軌道碳觀測衛星2（OCO-2）成功發射，是碳監測系統NASA第一顆用于測量XCO2的衛星，包含三通道成像光柵光譜儀。OCO-2光譜儀通道在一條小于10km的帶狀區域收集24個光譜，每天探測近100萬次。光柵光譜儀在發射前進行了廣泛的表征和校準，并反饋了高質量的數據，但在軌運行一年半期間校準發生了輕微的變化。OCO-2和TCCON XCO2估計值之間的中位數差異小于0.98mg/m3，均方根差異通常小于2.95mg/m3，增強衛星數據對碳監測系統的貢獻能力[12]。

繼日本的GOSAT衛星和美國宇航局的OCO-2衛星之后，2016年12月，中國二氧化碳監測衛星（TanSat）發射成功，是我國首顆用于觀測XCO2和約束區域碳通量反演的高光譜衛星，位于700km太陽同步軌道上[13]。

表2 典型遙感碳監測衛星的參數

(3)下一代遙感衛星碳監測的發展

準確監測全球生態系統碳源碳匯需要碳衛星具有高時空分辨率、高精度和多尺度等監測數據的需求，改進衛星觀測的覆蓋范圍、足跡大小和重復周期，減小云和氣溶膠對大氣散射的作用，提高大氣二氧化碳反演精度。在目前碳衛星研究基礎上，確定下一代碳衛星監測技術的發展。日本的GOSAT-2連續不間斷的對全球CO2和CH4觀測，還通過CO通道對局部碳排放和吸收進行觀測。在相同的采樣模式下，GOSAT-2比GOSAT具有更高的信噪比和更寬的指向角度。美國的OCO-2面積相對較小，適合小城市的星載碳排放研究，但OCO-3的SAM測量覆蓋了更廣闊的視野，更適用于評估更大的聚集區域。進一步提升OCO-3目標觀測數據，并與地面監測網進行比較，有助于更好地了解OCO-3從空間評估點源和區域源的能力。中國下一代TanSat-2的目標測量將集中在具有800～1000km狹長地帶的城市，使用成像過程和覆蓋500m足跡，記錄XCO2從中心到農村地區的梯度，TanSat-2衛星將搭載NO2探測儀器，提高從總預算中評估人為CO2排放，從而提高排放估計精度。

3.總結與展望

全球變暖正成為威脅人類生存和社會可持續發展的嚴重挑戰。面對日益嚴重的氣候變化，如何有效應對和減少二氧化碳排放已成為一個重要的社會和環境問題。我國正積極推進衛星遙感碳監測研發進程，與其他各國研究所開發機構相互溝通交流校準儀器，與基地監測網絡對比校準。到目前為止，是世界上擁有溫室氣體衛星最多的國家。充分發揮空間探測優勢，期望更精細的探測分子吸收光譜的特征，提高碳排放探測精度；期望在星載高光譜碳監測技術方面有更高的空間和光譜分辨率、更大的幅度和縮減衛星的重訪周期，及時探測目標區域的二氧化碳排放量，通過這些工作的實施，能夠為其它地區構建多維碳排放監測技術體系、推進碳達峰、碳中和工作提供示范參考研究目標圍繞國家“碳達峰”和“碳中和”目標。