國(guó)外天基溫室氣體遙感載荷發(fā)展研究

宋晶晶（北京空間科技信息研究所）

1 引言

溫室氣體的增加會(huì)加強(qiáng)溫室效應(yīng)，還會(huì)使氣候發(fā)生變化，影響許多地區(qū)的自然生態(tài)系統(tǒng)。隨著全球變暖問題日益受到關(guān)注，衛(wèi)星遙感為大氣溫室氣體含量監(jiān)測(cè)提供了新的思路，衛(wèi)星遙感能夠大尺度、全天時(shí)、長(zhǎng)周期、連續(xù)地對(duì)地球大氣、海洋和陸地生態(tài)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠更好地獲得全球時(shí)空分布與變化特征。目前以歐美為主的航天大國(guó)都在積極發(fā)展專用于溫室氣體探測(cè)的遙感載荷，溫室氣體遙感探測(cè)技術(shù)從開始的綜合性遙感載荷探測(cè)發(fā)展到專業(yè)遙感載荷探測(cè)，遙感載荷類型從被動(dòng)遙感擴(kuò)展到主動(dòng)遙感，觀測(cè)模式也從單一模式向天底、臨邊、耀斑和目標(biāo)等多種模式相結(jié)合發(fā)展。

依據(jù)地球觀測(cè)衛(wèi)星委員會(huì)（CEOS）和世界氣象組織（WMO）的“觀測(cè)系統(tǒng)能力分析和評(píng)估工具”（OSCAR）的官方數(shù)據(jù)庫，針對(duì)應(yīng)用于二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氫氟碳化物及六氟化硫5類長(zhǎng)生命周期的溫室氣體觀測(cè)的天基遙感載荷，可分為天底穿軌掃描紅外探測(cè)儀、天底穿軌掃描短波探測(cè)儀、臨邊掃描探測(cè)儀和天基激光雷達(dá)共4類載荷。其中目前在軌的溫室氣體任務(wù)均采用位于地球同步軌道上的被動(dòng)探測(cè)遙感載荷進(jìn)行觀測(cè)，未來將發(fā)展地球靜止軌道探測(cè)遙感載荷以及主動(dòng)探測(cè)遙感載荷，這些新任務(wù)將確保觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性，提供更好的分辨率和精度，更高的重訪周期和更全面的覆蓋范圍，從而提高觀測(cè)水平，有助于關(guān)鍵問題的進(jìn)一步解決和開發(fā)更好的地球系統(tǒng)過程模型，加強(qiáng)全球?qū)τ跍厥覛怏w的了解和研究。

2 典型天底穿軌掃描紅外探測(cè)儀發(fā)展情況

天底穿軌掃描紅外探測(cè)儀通常工作在中波紅外和熱紅外譜段，光譜分辨率可達(dá)0.1cm，空間分辨率約為10km。用于溫室氣體觀測(cè)的典型天底穿軌掃描紅外探測(cè)儀主要包括美國(guó)目前在軌的大氣紅外探測(cè)器（AIRS）和穿軌紅外探測(cè)器（CrIS），歐洲航天局（ESA）目前在軌的紅外大氣探測(cè)干涉儀（IASI）和在研的下一代增強(qiáng)型大氣探測(cè)干涉儀（IASI-NG）。

AIRS是搭載在美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）“水”（Aqua）衛(wèi)星上的綜合性遙感載荷。Aqua衛(wèi)星于2002年5月4日發(fā)射，截至目前已成功在軌工作了16年，仍持續(xù)每天向氣象預(yù)報(bào)中心傳回70億個(gè)實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)。AIRS由BAE系統(tǒng)公司（BAE Systems）紅外與成像系統(tǒng)部門（LMIRIS）研制，主要數(shù)據(jù)產(chǎn)品是對(duì)流層內(nèi)的大氣溫度、濕度和地表溫度的高精度三維垂直分布圖，在過去的16年里顯著提高了天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。此外，AIRS還能夠繪制溫室氣體分布圖、追蹤火山噴發(fā)以及森林火災(zāi)排放的煙霧，測(cè)量氨等有毒化合物和預(yù)測(cè)干旱區(qū)域。AIRS團(tuán)隊(duì)于2008年繪制出首個(gè)對(duì)流層二氧化碳全球地圖，揭示出其超過預(yù)期的變化情況。AIRS的高靈敏度和穩(wěn)定度使AIRS團(tuán)隊(duì)能夠成功反演對(duì)流層（8～10km）的二氧化碳濃度，水平分辨率達(dá)到100km，精度優(yōu)于2ppm，成為測(cè)量和繪制對(duì)流層二氧化碳濃度的有效手段。

CrIS是搭載在美國(guó)“國(guó)家極軌環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星系統(tǒng)預(yù)備項(xiàng)目”（Suomi NPP）衛(wèi)星以及“聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)”（JPSS）系列的4顆衛(wèi)星上的溫室氣體任務(wù)有效載荷，其中Suomi NPP衛(wèi)星發(fā)射于2011年10月28日，JPSS-1衛(wèi)星發(fā)射于2017年11月15日，后3顆衛(wèi)星分別計(jì)劃于2021年、2026年和2031年發(fā)射。CrIS由美國(guó)雷聲公司（Raytheon）研制，延續(xù)了AIRS的品質(zhì)，在它運(yùn)行期間不斷推出新成果，為天氣和氣候應(yīng)用提供了更加精確和詳細(xì)的大氣溫度、濕度觀測(cè)資料。

CrIS掃描幾何和覆蓋范圍示意圖

AIRS掃描幾何和覆蓋范圍示意圖

IASI是ESA“氣象業(yè)務(wù)”（MetOp）系列的3顆衛(wèi)星上的溫室氣體任務(wù)有效載荷，3顆衛(wèi)星分別發(fā)射于2006年、2012年和2018年。IASI的主承包商是泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）。IASI工作在紅外頻段，能夠晝夜不間斷工作，每24小時(shí)提供120萬量級(jí)的大氣頻譜數(shù)據(jù)。IASI的14個(gè)工作波長(zhǎng)為15μm的高光譜分辨率的通道，具有對(duì)二氧化碳的高度敏感性，而對(duì)于其他大氣成分則敏感度較低。其探測(cè)通道同時(shí)對(duì)大氣溫度具有高度敏感度，通過與搭載在MetOp衛(wèi)星上的先進(jìn)微波探測(cè)儀（AMSU）測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)相抵，在月級(jí)別空間分辨率為5°×5°時(shí)，可獲得二氧化碳測(cè)量精度約為2.0ppmv（0.5%），IASI還提供了幾個(gè)專對(duì)大氣甲烷敏感的通道，經(jīng)過數(shù)據(jù)反演可獲得的月級(jí)別測(cè)量精度約為16ppbv（約1%）。

IASI掃描幾何和覆蓋范圍示意圖

IASI-NG是歐洲在研的下一代極軌氣象衛(wèi)星系統(tǒng)——“第二代氣象業(yè)務(wù)”（MetOp-SG）系列的3顆衛(wèi)星上搭載的溫室氣體任務(wù)有效載荷，是IASI的改進(jìn)型產(chǎn)品，主承包商是法國(guó)阿斯特留姆公司（現(xiàn)空客防務(wù)與航天公司），其中首顆衛(wèi)星MetOp-SG A1將于2021年發(fā)射。IASI對(duì)于一些含量較少的大氣組分（如甲烷、一氧化二氮和一氧化碳），僅能觀測(cè)到有限的光譜特征，因此僅用于氣柱濃度測(cè)量。要想獲得這類組分的垂直分布則需要進(jìn)一步提高載荷的光譜分辨率，在IASI基礎(chǔ)上開發(fā)的新一代IASI-NG的光譜和輻射性能得到了進(jìn)一步改進(jìn)，包括：由于光譜分辨率的增加，對(duì)下部對(duì)流層更好地進(jìn)行垂直覆蓋；由于信噪比提高，對(duì)測(cè)量輻射的吸收光譜信號(hào)干擾減少，因而提高了熱力學(xué)、氣候和化學(xué)變量的反演精度，幾種大氣成分的探測(cè)范圍也有所提高。預(yù)計(jì)未來，IASI-NG可能為歐洲的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、大氣化學(xué)和氣候研究團(tuán)體帶來巨大益處。

3 典型天底穿軌掃描短波探測(cè)儀發(fā)展情況

天底橫向掃描短波探測(cè)器通常工作在紫外、可見光、近紅外和短波紅外譜段。光譜分辨率范圍從亞納米級(jí)到幾納米，空間分辨率約為10km，水平采樣通常為不連續(xù)采樣，其中紫外譜段主要應(yīng)用于臭氧測(cè)量，擴(kuò)展到可見光與近紅外譜段之后，則可以進(jìn)行一些包括氯化物和NOX等大氣成分的測(cè)量，再擴(kuò)展到短波紅外譜段之后，就可以進(jìn)行一些溫室氣體探測(cè)。用于溫室氣體觀測(cè)的典型天底穿軌掃描短波探測(cè)儀主要包括美國(guó)目前在軌的軌道碳觀測(cè)儀－2（OCO－2 instrument）和在研的下一代軌道碳觀測(cè)儀－3（OCO－3 instrument）。

OCO－2觀測(cè)模式示意圖

軌道碳觀測(cè)儀－2是搭載在美國(guó)軌道碳觀測(cè)－2（OCO－2）衛(wèi)星上的遙感載荷。OCO－2發(fā)射于2014年7月2日，是繼2009年2月24日OCO－1發(fā)射失敗之后，成功發(fā)射的全球首顆專門監(jiān)測(cè)二氧化碳的衛(wèi)星。OCO－2至今已獲取大量溫室氣體測(cè)量數(shù)據(jù)，每天可在全球范圍內(nèi)測(cè)量10萬次大氣二氧化碳，其高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)揭示了碳與地球上的海洋、陸地、大氣生態(tài)系統(tǒng)和人類活動(dòng)等之間的微妙關(guān)系，展示了對(duì)科學(xué)的新見解。

目前，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）正在研制的軌道碳觀測(cè)儀－3，是OCO－2衛(wèi)星的下一代專用溫室氣體探測(cè)載荷，該載荷計(jì)劃2019年搭乘貨運(yùn)飛船去往“國(guó)際空間站”（ISS）。與飛行在太陽同步軌道上、每天近乎在相同時(shí)刻對(duì)地球觀測(cè)的OCO－2衛(wèi)星不同，OCO－3在“國(guó)際空間站”低地球軌道以51.6°傾角對(duì)地觀測(cè)，因此可以實(shí)現(xiàn)全天對(duì)二氧化碳濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

為能夠從“國(guó)際空間站”進(jìn)行測(cè)量，OCO－3載荷進(jìn)行了2個(gè)重大設(shè)計(jì)變更：增加了靈活的2軸指向機(jī)制和極化機(jī)制，從而能夠?qū)嵤└`活的新型觀測(cè)戰(zhàn)略。與OCO－2載荷相比，OCO－3載荷在51°N和51°S緯度之間的采樣密度更高，并且能夠在每個(gè)軌道上以天底、耀斑或快照模式進(jìn)行觀測(cè)。與OCO－2載荷相比，OCO－3載荷對(duì)海洋上空的采樣數(shù)量增加了1倍，能夠以1ppm的精度對(duì)密集目標(biāo)（如城市、發(fā)電廠或海岸線）進(jìn)行測(cè)量。OCO－3載荷對(duì)大多數(shù)區(qū)域的探測(cè)精度將與OCO－2載荷相同，但該載荷不對(duì)南部海洋進(jìn)行觀測(cè)。

OCO－3快照模式示意圖

OCO－2和OCO－3將為NASA計(jì)劃于2022年發(fā)射的“地球靜止軌道碳循環(huán)觀測(cè)臺(tái)”（GeoCarb）任務(wù)鋪平道路，該任務(wù)將在全球首次從地球靜止軌道利用凝視遙感載荷對(duì)地球進(jìn)行觀測(cè)，其首要目標(biāo)是監(jiān)測(cè)整個(gè)美洲的植物健康和植被脅迫，并對(duì)自然資源、碳循環(huán)和一氧化碳、二氧化碳及甲烷的交換過程以更高的精度進(jìn)行探測(cè)。GeoCarb衛(wèi)星所處的經(jīng)度使其能夠?qū)γ乐薮箨憦谋本?0°，至南部從哈得遜灣南端到南美洲南端之間的區(qū)域進(jìn)行“從墻到墻”的觀測(cè)。GeoCarb衛(wèi)星將以大約5～10km的空間分辨率，每天采集1000萬次二氧化碳、甲烷、一氧化碳和太陽誘導(dǎo)熒光（SIF）的濃度信息。GeoCarb將補(bǔ)充OCO－2衛(wèi)星和其他低地球軌道衛(wèi)星的測(cè)量，填補(bǔ)時(shí)間和空間上的數(shù)據(jù)覆蓋缺口。

OCO－3載荷除了與OCO－2載荷一樣有天底、耀斑和目標(biāo)觀測(cè)模式之外，還增加了城市（City）觀測(cè)模式，即快照（Snapshot）模式，該模式是由目標(biāo)模式延伸而來。在目標(biāo)模式下，OCO－3載荷對(duì)約50km×50km的地面區(qū)域每3min可進(jìn)行約3600次采樣。在快照模式下，當(dāng)“國(guó)際空間站”直接飛過區(qū)域中心時(shí)，可覆蓋范圍約100km×100km。

GeoCarb衛(wèi)星觀測(cè)示意圖

4 其他天基溫室氣體遙感載荷發(fā)展情況

除上述兩類遙感載荷外，用于溫室氣體觀測(cè)的遙感載荷還有臨邊掃描探測(cè)儀，如搭載在加拿大航天局于2003年8月12日發(fā)射的對(duì)地觀測(cè)小衛(wèi)星科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)——大氣化學(xué)實(shí)驗(yàn)科學(xué)衛(wèi)星－1（SCISAT－1）上的大氣化學(xué)實(shí)驗(yàn)傅里葉變換光譜儀（ACS-FTS），該載荷采用臨邊觀測(cè)模式對(duì)溫室氣體進(jìn)行觀測(cè)。此外還有天基激光雷達(dá)，如計(jì)劃搭載在歐洲“甲烷遙感激光雷達(dá)任務(wù)”（MERLIN）衛(wèi)星上的集成路徑差分吸收激光雷達(dá)（IPDA LIDAR）以及計(jì)劃搭載在美國(guó)“日夜及季節(jié)性二氧化碳排放主動(dòng)監(jiān)測(cè)”（ASCENDS）任務(wù)上二氧化碳探測(cè)激光雷達(dá)。其中MERLIN任務(wù)是首次利用“主動(dòng)型”雷達(dá)載荷進(jìn)行甲烷氣體探測(cè)，此前都只是利用搭載“被動(dòng)型”載荷的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星進(jìn)行大氣層甲烷氣體測(cè)量，而該二氧化碳探測(cè)激光雷達(dá)將以超越以往的高精度對(duì)大氣中的二氧化碳進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

5 總結(jié)和分析

采用多種觀測(cè)模式相結(jié)合的紅外高光譜探測(cè)技術(shù)，是溫室氣體遙感載荷的主要發(fā)展方向

溫室氣體吸收地球表面、大氣和云層發(fā)出的紅外輻射，因此溫室氣體遙感載荷普遍工作在紅外譜段。低地球軌道平臺(tái)上的天基紅外遙感載荷已經(jīng)對(duì)天氣預(yù)報(bào)的改進(jìn)作出了巨大貢獻(xiàn)，高光譜紅外遙感載荷由于可以探測(cè)出溫室氣體豐富的診斷性光譜特征，可提供溫室氣體包括趨勢(shì)、季節(jié)性、上至中對(duì)流層的強(qiáng)輻射（如火災(zāi)）以及大氣傳輸?shù)缺姸嘈畔?，因而正為監(jiān)測(cè)大氣成分變化發(fā)揮關(guān)鍵作用。通過采用天底、臨邊和掩日等不同觀測(cè)模式滿足不同溫室氣體探測(cè)需求，此外，高光譜紅外遙感載荷還通過與各種不同遙感載荷相結(jié)合而實(shí)現(xiàn)不同的用途，如：1）通過結(jié)合短波紅外觀測(cè)數(shù)據(jù)，可將對(duì)溫室氣體敏感的觀測(cè)區(qū)域從僅對(duì)流層延伸至行星邊界層+對(duì)流層；2）采用臨邊探測(cè)模式，可通過反演觀測(cè)數(shù)據(jù)，獲得二氧化碳垂直分布圖。

基于激光的主動(dòng)遙感探測(cè)技術(shù)，是未來溫室氣體遙感載荷的重要發(fā)展方向

盡管被動(dòng)遙感技術(shù)對(duì)于了解全球碳循環(huán)做出了很大貢獻(xiàn)，但采用被動(dòng)遙感技術(shù)只有在晴空無云的有利條件下，才可以精確測(cè)量大氣中的氣體。由于主動(dòng)探測(cè)遙感技術(shù)采用一個(gè)更簡(jiǎn)單的固定觀測(cè)幾何，具有共同的垂直照明和觀測(cè)路徑。確定范圍的激光測(cè)量消除了大氣散射的誤差。這種方法可以在白天和黑夜、在海洋和陸地表面、在所有緯度和一年中的任何時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。主動(dòng)探測(cè)遙感技術(shù)對(duì)于對(duì)流層低層二氧化碳具有更高的敏感性，在該大氣層中大氣濃度對(duì)于地表通量的反應(yīng)最強(qiáng)烈。主動(dòng)激光雷達(dá)能夠更頻繁地觀測(cè)南部海洋，特別是在冬季，被動(dòng)遙感載荷實(shí)際上無法對(duì)黑暗海洋進(jìn)行觀測(cè)?；诩す庵鲃?dòng)遙感的溫室氣體觀測(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、全天時(shí)、全天候監(jiān)測(cè)的新技術(shù)，是未來全球溫室氣體觀測(cè)的發(fā)展方向。隨著天基激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)研究的逐步深入，這些主動(dòng)激光探測(cè)技術(shù)有望同被動(dòng)探測(cè)遙感技術(shù)有機(jī)結(jié)合，成為精確觀測(cè)溫室氣體的重要手段。

發(fā)展靜止軌道溫室氣體遙感載荷探測(cè)技術(shù)，與低軌道平臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)互相補(bǔ)充

雖然采用太陽同步軌道遙感載荷測(cè)量溫室氣體能提供全球覆蓋，但它們的重訪時(shí)間長(zhǎng)，覆蓋缺口范圍較大，并且通常始終在一天的同一時(shí)間對(duì)指定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)1～2次觀測(cè)（通過采用2顆LEO衛(wèi)星上的相同載荷可實(shí)現(xiàn)2次重訪）。由于天氣對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響時(shí)間范圍為幾天到幾周，采用低地球軌道測(cè)量可能會(huì)錯(cuò)過這些變化以及其如何與生物體活動(dòng)相互聯(lián)系這些信息。而地球靜止軌道遙感載荷將補(bǔ)充低地球軌道遙感載荷的測(cè)量數(shù)據(jù)，填補(bǔ)時(shí)間和空間上的數(shù)據(jù)覆蓋缺口，有利于開發(fā)更好的地球系統(tǒng)過程模型，提高天氣預(yù)報(bào)和改善地球環(huán)境。