我國溫室氣體觀測衛(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.中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院

2.國家對地觀測科學(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.國家衛(wèi)星氣象中心

5.中國科學(xué)院大氣物理研究所

2023 年3 月聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）發(fā)布的第六次綜合評估報(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玫热祟惢顒优欧诺臏厥覛怏w，已毋庸置疑引起了全球變暖[1]。近年來，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，對未來人類社會的可持續(xù)發(fā)展帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)?？茖W(xué)準(zhǔn)確地監(jiān)測溫室氣體濃度、來源以及變化趨勢是溫室氣體排放統(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)動態(tài)等獨(dú)特優(yōu)勢，為開展全球、全國和區(qū)域尺度溫室氣體監(jiān)測提供了高精度、基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)支撐。

一、我國溫室氣體觀測衛(wèi)星建設(shè)規(guī)模

作為世界上最大的發(fā)展中國家，我國堅(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)合國氣候變化框架公約》及其《巴黎協(xié)定》。《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》提出，我國力爭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，在科技部“十二五”863 計(jì)劃地球觀測與導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域“全球二氧化碳監(jiān)測科學(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、高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項(xiàng)和國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃（2015—2025 年）的推動下，我國自行研制和發(fā)射了5 顆搭載溫室氣體監(jiān)測載荷的衛(wèi)星，通過高光譜、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)測與評估體系。

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

全球二氧化碳監(jiān)測科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（簡稱碳衛(wèi)星）于2016 年12 月22 日發(fā)射，是我國首顆、國際上第三顆具有高精度溫室氣體探測能力的衛(wèi)星。該衛(wèi)星搭載的高光譜溫室氣體探測儀（ACGS）采用大面積衍射光柵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。

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 太陽同步軌道；

· 觀測對象：CO2；

· 觀測模式：天底觀測、耀斑觀測和目標(biāo)觀測。

2．風(fēng)云三號D 衛(wèi)星（FY-3D）

風(fēng)云三號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，是我國低軌道下午氣象觀測的主業(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 太陽同步軌道；

· 觀測對象：CO2、CH4；

· 觀測模式：天底觀測。

3．高分五號衛(wèi)星（GF-5）

高分五號衛(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)對大氣和陸地綜合觀測的全譜段高光譜衛(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：太陽同步軌道，軌道高度705km；

· 觀測對象：CO2、CH4；

· 觀測模式：天底觀測和耀斑觀測。

4．高光譜觀測衛(wèi)星（GF-5 02）

高光譜觀測衛(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)境觀測衛(wèi)星。該衛(wèi)星搭載的大氣主要溫室氣體監(jiān)測儀（GMI）充分繼承高分五號衛(wèi)星的成熟技術(shù)，采用天底和耀斑兩種觀測模式對陸地和海洋不同地表類型特點(diǎn)進(jìn)行觀測。

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：太陽同步軌道，軌道高度705km；

· 觀測對象：CO2、CH4；

· 觀測模式：天底觀測和耀斑觀測。

5．大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星（DQ-1）

大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星于2022 年4 月16 日發(fā)射，是世界首顆具備CO2激光探測能力的衛(wèi)星。該衛(wèi)星搭載的大氣探測激光雷達(dá)（ACDL），在國際上首次采用激光路徑差分吸收方法，可全天時、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)以往被動觀測的不足。

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：大氣探測激光雷達(dá)（ACDL）；

· 運(yùn)行軌道：太陽同步軌道，軌道高度705km；

· 觀測對象：CO2；

· 觀測模式：主動觀測。

此外，在國家一系列政策大力支持和引導(dǎo)下，我國商業(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)射場與測控等技術(shù)與系統(tǒng)取得重要成果，越來越多的企業(yè)開始參與碳源碳匯遙感監(jiān)測衛(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)光譜探測技術(shù)的商業(yè)碳監(jiān)測遙感衛(wèi)星星座規(guī)劃，國內(nèi)首顆商業(yè)甲烷監(jiān)測衛(wèi)星——XIGUANG-004 衛(wèi)星計(jì)劃于2024 年發(fā)射。該衛(wèi)星質(zhì)量60kg，搭載甲烷濃度探測儀、葉綠素?zé)晒馓綔y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“雙碳”目標(biāo)用戶的多方面需求。其中，甲烷濃度探測儀可實(shí)現(xiàn)0.1nm 的光譜分辨率，具備甲烷柱濃度定量探測、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儀的光譜分辨率高達(dá)0.5nm，可以有效探測植物葉綠素光合作用時產(chǎn)生的微弱熒光光譜變化信息，可以實(shí)現(xiàn)植物生產(chǎn)總量的評估，對碳匯交易起指導(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“全球重點(diǎn)目標(biāo)碳排放監(jiān)測衛(wèi)星星座”建設(shè)，聯(lián)合中國科學(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)，屆時將具備對全球10000 個重點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行高精度碳排放監(jiān)測能力。

北京未來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 個軌道面、每軌4 星）組成的“未來碳星計(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 軌道對全球范圍的CO2和CH4含量快速觀測，以及重點(diǎn)目標(biāo)小時級的觀測能力。整個星座的發(fā)射計(jì)劃于2025 年完成。

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

1．大氣CO2 柱濃度（XCO2）監(jiān)測

大氣CO2柱濃度（XCO2）的時空分布和變化是碳循環(huán)過程的主要表現(xiàn)形式之一，也是認(rèn)識全球碳循環(huán)的最直接方式。中國科學(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)星觀測數(shù)據(jù)（TPM）進(jìn)行全球共享，推動了中國科技部與ESA 在溫室氣體衛(wèi)星遙感領(lǐng)域的深度合作；對全球CO2濃度觀測資料與中國氣象局6 個CO2濃度觀測站數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)同化，計(jì)算我國碳通量的時空分布。研究結(jié)果揭示了之前被低估的中國地區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯[4]；開展了基于中國碳衛(wèi)星的全球碳通量計(jì)算，獲得了首個中國碳衛(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)志著我國已經(jīng)具備空間監(jiān)測人為活動碳排放的能力。上述里程碑成果，為基于我國碳衛(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——中國碳衛(wèi)星首幅全球CO2 通量分布圖

2． CH4 排放監(jiān)測

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探測對于監(jiān)測和控制人為排放過程具有重要的指導(dǎo)意義。中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院通過高分五號衛(wèi)星GMI 獲取1.65μm 通道的CH4吸收光譜信息，得到了與國際同類儀器接近的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衛(wèi)星于2022 年秋季（7 月1 日—9 月30 日）開展了全球大氣CH4監(jiān)測工作，監(jiān)測結(jié)果清晰反映出較明顯的緯度分布特征，與TCCON 站點(diǎn)測量數(shù)據(jù)對比，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)國際社會廣泛關(guān)注，為了跟蹤該事件的發(fā)展態(tài)勢，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)星對北溪天然氣管道沿線進(jìn)行了應(yīng)急監(jiān)測，并聯(lián)合武漢大學(xué)、南京大學(xué)等開展了CH4排放異常遙感識別及量化工作，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衛(wèi)星的北溪天然氣管道沿線CH4 排放異常監(jiān)測

3． CO2 主動探測

相比被動探測，星載激光雷達(dá)主動探測具有不依賴于光照條件（全天時）、高空間分辨率、出色的垂直探測能力、受氣溶膠和云散射影響較小等優(yōu)勢，通過沿軌進(jìn)行大氣垂直探測，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)測衛(wèi)星的大氣探測激光雷達(dá)，是國際上第一個同時具備大氣氣溶膠和CO2探測的載荷，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)過多年的建設(shè)和發(fā)展，我國溫室氣體觀測呈現(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平臺作出了貢獻(xiàn)?！笆奈濉逼陂g，我國將繼續(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)測能力，為支撐國家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)、應(yīng)對全球氣候變化提供遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)支撐。

致謝：本文相關(guān)數(shù)據(jù)由中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心、中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所、中國科學(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、北京未來碳星空間科技有限公司等提供支持，在此一并表示感謝。