中國碳衛(wèi)星（TanSat）數(shù)據(jù)產(chǎn)品及國際合作進(jìn)展

文 | 張連翀 王絲絲 李靜 楊東旭 咸迪

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.國家遙感中心

4.中國科學(xué)院大氣物理研究所

5.國家衛(wèi)星氣象中心

氣候變化是當(dāng)今國際社會普遍關(guān)心的重大全球性問題。出于對氣候和環(huán)境變化的高度重視，我國政府于2007 年正式發(fā)布了《中國應(yīng)對氣候變化國家方案》，表明對全球氣候變化的監(jiān)測與分析已經(jīng)不僅是一個涉及國民健康、經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)和技術(shù)問題，而且是一個涉及到國家安全和國際環(huán)境外交的政治問題。為有效掌握全球二氧化碳（CO2）分布現(xiàn)狀及變化趨勢，我國于2016 年成功發(fā)射全球二氧化碳監(jiān)測科學(xué)實驗衛(wèi)星（簡稱碳衛(wèi)星，TanSat）。六年多來，碳衛(wèi)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(jiān)測能力奠定了技術(shù)基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。

一、碳衛(wèi)星基本情況

碳衛(wèi)星作為科技部“十二五”863 計劃地球觀測與導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域“全球二氧化碳監(jiān)測科學(xué)實驗衛(wèi)星與應(yīng)用示范”項目的重大成果，由中國科學(xué)院與中國氣象局共同研制。碳衛(wèi)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(xué)家精確反向推演CO2濃度剔除干擾因素（表2）。

表1 碳衛(wèi)星ACGS 載荷性能參數(shù)

表2 碳衛(wèi)星CAPI 載荷性能參數(shù)

針對陸地、海洋和目標(biāo)研究區(qū)域等不同地表類型，碳衛(wèi)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(biāo)觀測模式（Target mode）進(jìn)行CO2觀測。

二、碳衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品

依據(jù)《全球二氧化碳監(jiān)測科學(xué)實驗衛(wèi)星數(shù)據(jù)管理辦法（試行）》，碳衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以分為原始數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)、L0 級數(shù)據(jù)、L1A 級數(shù)據(jù)、L1B 級數(shù)據(jù)、L2 級數(shù)據(jù)和L3 級數(shù)據(jù)。其中L1A 級數(shù)據(jù)是經(jīng)過幾何定標(biāo)及地理定位后的數(shù)據(jù)，L1B 級數(shù)據(jù)是在L1A 級數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上經(jīng)過輻射定標(biāo)、幾何定標(biāo)后的數(shù)據(jù)（表3）。

L2 級數(shù)據(jù)是在L1B 級數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上經(jīng)過數(shù)據(jù)質(zhì)量篩選、云污染數(shù)據(jù)剔除、二氧化碳反演、反演結(jié)果篩選等一系列算法處理后生成的初級數(shù)據(jù)產(chǎn)品，例如大氣二氧化碳柱平均干空氣混合比（XCO2）產(chǎn)品；L3 級數(shù)據(jù)是在L2 級數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步處理后得到全球網(wǎng)格數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

中國科學(xué)院大氣物理研究所劉毅研究員團隊利用自主研發(fā)的碳反演數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)（IAPCAS），于2017 年10 月向全球公開發(fā)布了中國碳衛(wèi)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(shù)據(jù)產(chǎn)品精度從2.11ppm 提升到1.47 ppm 的國際先進(jìn)水平。

中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院劉良云研究員團隊攻克了高精度的葉綠素?zé)晒庑l(wèi)星反演算法關(guān)鍵技術(shù)，于2018 年3 月發(fā)布了中國碳衛(wèi)星全球葉綠素?zé)晒夥囱輬D（圖2）。與同期的美國OCO-2 衛(wèi)星產(chǎn)品在空間格局、季節(jié)變化特征、取值范圍等相比非常一致，表明中國碳衛(wèi)星達(dá)到了美國OCO-2 衛(wèi)星這一國際最高水平。

圖2 中國碳衛(wèi)星全球葉綠素?zé)晒夥囱輬D

三、國際合作進(jìn)展

碳衛(wèi)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(wèi)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(fā)機構(gòu)（JAXA）和歐洲航天局（ESA）等國外研究機構(gòu)的高度關(guān)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(qū)舉行。其間，碳衛(wèi)星L1 級數(shù)據(jù)產(chǎn)品正式通過國家衛(wèi)星氣象中心和國家綜合地球觀測數(shù)據(jù)共享平臺對外開放共享。截至2023 年5 月，累計服務(wù)英國、美國、日本、德國、法國、芬蘭等6 個國家的29 個科學(xué)家團隊，有力支撐了國際碳循環(huán)領(lǐng)域的科學(xué)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(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測年度報告的重點專題之一（圖3），組織國內(nèi)優(yōu)勢團隊充分利用中國碳衛(wèi)星數(shù)據(jù)技術(shù)特點，結(jié)合多源遙感數(shù)據(jù)，監(jiān)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(qū)碳源、碳匯的時空分布狀況，探討了全球碳源、碳匯變化的驅(qū)動機制，對落實減排成效和有關(guān)政策制定具有重要支撐作用。

圖3 《全球生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)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(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院牽頭承擔(dān)的中科院國際大科學(xué)計劃培育專項“國際碳衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)分析合作計劃（CASA）”正式啟動。該項目旨在促進(jìn)所有碳監(jiān)測數(shù)據(jù)的廣泛應(yīng)用和共同治理，更好地協(xié)作完成“凈零排放”的共同目標(biāo)。CASA 先后與歐、美、日等國的16個科研團隊建立伙伴關(guān)系，匯聚了超過5 個國際觀測計劃的120TB 在線碳觀測數(shù)據(jù)資源和200 萬億次計算能力，為47 個國家和地區(qū)的400 余位學(xué)員提供了全球碳減排進(jìn)程及國內(nèi)外政策、全球大氣CO2濃度和地表通量同化技術(shù)、全球碳排放實時監(jiān)測技術(shù)等領(lǐng)域的國際培訓(xùn)課程，促進(jìn)了碳衛(wèi)星技術(shù)和數(shù)據(jù)的交流與共享，取得了良好的社會效應(yīng)和國際影響力。

2020 年1 月，科技部國家遙感中心和ESA簽署關(guān)于溫室氣體遙感監(jiān)測及相關(guān)事宜合作協(xié)議。在中歐雙方共同推動下，目前碳衛(wèi)星數(shù)據(jù)及相關(guān)產(chǎn)品已納入ESA 第三方任務(wù)計劃，并應(yīng)用于ESA 氣候變化倡議項目中；同時，歐方也將哨兵5 號先導(dǎo)衛(wèi)星和未來熒光探測衛(wèi)星任務(wù)等的溫室氣體衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)及第三方分發(fā)權(quán)授予中方，并通過國家綜合地球觀測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2021 年10 月，中國科學(xué)院大氣物理研究所與芬蘭氣象研究所聯(lián)合使用中國碳衛(wèi)星CO2觀測數(shù)據(jù)和歐洲哨兵衛(wèi)星的二氧化氮（NO2）觀測數(shù)據(jù)，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(guān)性（圖4）。計算結(jié)果和排放清單給出的結(jié)果一致，論證了通過聯(lián)合應(yīng)用中國碳衛(wèi)星和歐洲哨兵衛(wèi)星的協(xié)同觀測，可以對CO2/NO2排放比例進(jìn)行定量監(jiān)測。同時，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。2022 年6 月，該成果成功入選中國生態(tài)環(huán)境十大科技進(jìn)展。

圖4 中國碳衛(wèi)星聯(lián)合哨兵衛(wèi)星監(jiān)測我國唐山地區(qū)人為排放示意圖（2018 年5 月6 日）

四、結(jié)語

中國碳衛(wèi)星作為我國第一代溫室氣體監(jiān)測專用衛(wèi)星，實現(xiàn)了空間溫室氣體高精度監(jiān)測的從無到有。基于碳衛(wèi)星開展的一系列國際合作，是中國參與并促進(jìn)數(shù)據(jù)共享和全球生態(tài)文明建設(shè)等方面作出的重要貢獻(xiàn)。當(dāng)前，在科技部國家重點研發(fā)計劃等項目的支持下，以碳衛(wèi)星的研究成果為基礎(chǔ)的下一代碳衛(wèi)星論證設(shè)計工作正在進(jìn)行中，并將以應(yīng)用需求與科學(xué)需求為出發(fā)點，更好地服務(wù)于全球和我國雙碳目標(biāo)的實現(xiàn)。