即将入轨的我国首颗测量大气二氧化碳的专用高光谱卫星

（1 国家卫星气象中心，2 中科院长春光学精密机械研究所，3 中国科学院微小卫星工程中心）

即将入轨的我国首颗测量大气二氧化碳的专用高光谱卫星

China's First Dedicated Hyperspectral Satellite for Detecting Consistency of CO2Set to Get into Orbit

杨忠东1毕研盟1王倩1郑玉权2尹增山3

（1 国家卫星气象中心，2 中科院长春光学精密机械研究所，3 中国科学院微小卫星工程中心）

气候变化是当今国际社会普遍关心的重大全球性问题。出于对气候和环境变化的高度重视，我国政府于2007年正式发布了《中国应对气候变化国家方案》，表明对全球气候变化的监测与分析已经不仅是一个涉及国民健康、经济社会可持续发展的科学和技术问题，而且是一个涉及到国家安全和国际环境外交的政治问题。2016年9月我国正式交存气候变化《巴黎协定》批准文书，11月4日，《巴黎协定》满足条件正式生效，同日，我国政府宣布将于2017年启动全国碳排放权交易市场。在这一形势下，发展温室气体监测能力非常迫切。

于2016年12月下旬即将升空的“全球二氧化碳监测科学试验卫星”（简称“碳卫星”）是我国自主研制，专门用于监测全球二氧化碳（CO2）分布的科学试验卫星，探测CO2精度达到1～4ppm。“碳卫星”携带大气二氧化碳光栅超光谱仪（ACGS，简称高光谱CO2探测仪）、多谱段云与气溶胶探测仪（CAPl），两台仪器协同配合完成“碳卫星”科学使命。其数据经地面应用系统接收处理后，生成全球大气CO2混合比（XCO2），产品进一步应用于大气传输模式后，可用于CO2排放源、吸收汇研究。各级产品由国家卫星气象中心负责生成，并对外统一发布。

1 卫星遥感CO2的应用需求

CO2是地球大气中最重要的温室气体成分之一，在全球气候变化当中扮演重要角色。工业革命以来，由于石油、煤等化石能源的大规模使用，以及毁林、土地过度开发和开垦等活动，导致大气中二氧化碳、甲烷等温室气体浓度急剧上升，引起全球气候变化。这种变化持续地对自然生态和人类社会经济系统造成重大影响，引起了国际社会的高度关注。世界各国在努力推进社会和经济发展的同时，对全球和区域气候变化表现出极大的忧虑。国际政府间气候变化专门委员会（IPCC）第四次评估报告明确指出，60%的温室气体辐射强迫（Radiation Force）是由CO2引起，由于受人类活动影响，作为主要温室气体的CO2的浓度现已上升到2500万年以来的最高值。观测表明，大气CO2浓度已经从20世纪50年代约310ppm上升到目前约400ppm，平均年增长率约2ppm。全球大气CO2浓度增加导致全球平均气温升高、永久积雪与冰川的融化、海平面上升已经成为不争的事实。

CO2主要排放源为人类工业生产活动，主要的吸收汇为地球海洋、陆地生态系统，汇约吸收了人类排放量的一半左右，这些汇限制了CO2在大气中的持续累积速率。但是，人们对于自然源汇分布的了解仍然不够精确，尤其是对这些过程需要多长时间来吸收人类排放的CO2仍然不清楚。CO2浓度的这种快速增长引起了人们对于全球变暖、极端气候的担忧，预计未来，当大气中CO2浓度达到约560ppm时，其辐射强迫平均值将为3.7W/m2。

美国、欧洲等发达国家提出利用市场机制，增加碳关税方式限制CO2排放，解决全球气候变化问题。因此，监测大气CO2浓度变化不仅是气候变化问题，也是社会发展问题。根据美国CO2情报分析中心（CDIAC）统计，2014年中国化石燃料排放CO2达美国2倍，2015年巴黎气候变化大会，中国承诺CO2排放于2030年左右达到峰值。联合国气候变化框架公约（UNFCCC）中也提出了可测量、可报告、可核实的“三可”要求。

因此，在全球范围内高精度地监测CO2浓度，获取可靠的观测数据，已成为开展气候变化研究、碳交易等工作首要关键方面。利用地面观测站点来监测CO2浓度具有精度高、时间分辨率高、可靠性高的优点，但是这种方法存在明显的不足：①耗时耗力，难以进行宏观上的统筹规划；②受站点位置限制，空间分辨率不高，而且南北两极以及海洋、沙漠等地区缺少观测站点；③难以得到痕量气体的垂直分布信息：通过地基观测方法得到大气痕量气体垂直分布，其高度有限。地面碳柱总量观测网（TCCON）全球仅有约30个站点，如此稀少的地面观测数据显然无法充分监测大气CO2的源、汇问题。为了全面了解上述过程，需要在全球范围内确定CO2浓度分布，只有通过卫星遥感的途径才可以实现这一目标。除此以外，卫星遥感还可以快速、经济、可重复地获取宏观尺度上大气CO2的信息。因此，需要发展星载CO2遥感技术以提供高精度的、高空间分辨率的全球CO2浓度观测信息。

2 国际发展动态

2009年1月23日，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）成功发射了“温室气体观测技术卫星”（GOSAT，也叫“呼吸”），用于监测全球温室气体浓度分布。它是世界第一颗专门对温室气体CO2和CH4提供高光谱分辨率的全球观测卫星。“温室气体观测技术卫星”的主要载荷是傅里叶变换光谱仪天梭-FTS（TANSO-FTS）和云/气溶胶探测仪（CAI）。傅里叶变换光谱仪通过探测地表反射的短波红外辐射，以及地表和大气发射的热红外辐射，反演CO2、CH4等温室气体含量。但是受仪器研制水平、数据处理精度等问题影响，“温室气体观测技术卫星”反演的CO2产品精度、有效数据率并不尽如人意。另外，受观测几何的限制，“温室气体观测技术卫星”观测数据中只有小部分来自耀斑模式的观测，这很大程度上限制了海洋上的观测密度。在充分吸收该卫星经验的基础上，日本计划在2017年发射温室气体观测技术卫星-2。

2014年7月1日升空的轨道碳观测-2是美国航空航天局（NASA）喷气推进实验室（JPL）主导的一项重要计划，担负的科学任务是观测全球CO2分布，观测的精度、分辨率和覆盖范围可以描述区域尺度上的源、汇分布，并能定量描述季节变化。轨道碳观测-2搭载的载荷是高光谱分辨率探测仪，通过对弱CO2吸收带（1.6μm）、强CO2吸收带（2.06μm）以及O2-A吸收带（0.76μm）的观测光谱进行高精度定量反演，得到每月一次的区域尺度（＞1000km）上柱平均CO2干空气混合比（XCO2）。此前的2009年2月24日，由于运载火箭有效载荷整流罩异常，美国“轨道碳观测”发射失败。2010年，美国航空航天局重启了“轨道碳观测”任务，2014年7月，轨道碳观测-2成功发射。

“碳卫星”高光谱CO2探测仪关键指标

3 “碳卫星”科学目标及总体设计

“十二五”期间，中国科学院微小卫星工程中心、长春光学精密机械研究所、国家卫星气象中心联合向科技部申请了重大专项—“碳卫星”。该项目面向全球变化国家重大需求和科学研究前沿，以CO2遥感监测为切入点，开展星载高光谱CO2浓度监测仪，云与气溶胶探测仪，全球CO2浓度监测卫星，CO2反演与验证系统4个技术研究，实现CO2卫星在轨运行，以获得全球尤其是我国及其他重点地区大气CO2浓度分布，探测精度达到1～4ppm，使我国在CO2监测方面达到国际先进水平。“碳卫星”成为继日本“温室气体观测技术卫星”、美国轨道碳观测-2之后，世界上第3个专用的CO2监测卫星。

“碳卫星”搭载的2台有效载荷由长春光学精密机械与物理研究所负责研制；卫星平台由上海微小卫星工程中心负责研制；地面应用系统由国家卫星气象中心建设，负责“碳卫星”全球数据接收、预处理、高精度XCO2产品研发，产品精度验证、存档和发布。

我国采用的高光谱CO2探测仪技术体制与美国轨道碳观测-2卫星相似，采用大面积衍射光栅分光技术，设置3个可见、近红外波段。探测原理是根据大气分子对太阳光谱的吸收特征，通过测量CO2和O2的吸收光谱来精确测定大气CO2含量，大相对孔径光学系统和高灵敏度探测器保证仪器的工作性能，光谱分辨率达到0.044nm，信噪比达到360，保证获取的高精度CO2光谱具有1～4ppm的CO2含量的反演能力。由于受国内技术水平限制，我国探测器面阵维数低于美国的轨道碳观测-2，两个CO2吸收带上的光谱分辨率也略低于轨道碳观测-2。

4 观测模式和定标

作为CO2专用探测卫星，“碳卫星”观测模式灵活多变。其卫星平台采用框架面板结构，简单紧凑、可靠性高。在卫星平台和指向反射镜的配合下，高光谱CO2探测仪具备天底、耀斑和目标3种科学观测模式。当太阳天顶角满足设定要求时，采用天底观测模式，这种模式有最高的空间分辨率，但是在海洋上空，信噪比低，观测数据无法反演出CO2浓度。为解决这一问题，卫星在海洋上空时，当太阳光被洋面镜面反射时，仪器指向最亮的反射区，称之为耀斑模式，这种模式将提供足够的信噪比，反演出高精度的CO2浓度。为观测全球CO2分布，在16天的重访周期内，两种观测模式将互相转换。目标模式将用于跟踪地面的特殊目标（如地面定标站点，源排放区），在约9min的飞越目标区观测期间内，这一模式可提供对观测点的大量观测数据。

“碳卫星”设计有多种星上光谱定标、辐射定标方式。光谱定标采用临边方式观测太阳光谱，太阳光经漫反射板反射后被光谱仪观测，观测角度稳定，且光谱数据受气压加宽较小，没有地表反射的影响，因此，适合于检验光谱仪线型函数（ILS）的变化。辐射定标方面，设计有专门的定标灯用作辐射定标，除此之外，星上辐射定标还包括了太阳定标、暗信号定标。

高光谱CO2探测仪研制难度极大，在6年的研制中，科学团队与工程团队密切配合，解决了研制过程中碰到的一系列复杂的科学和工程问题，已完成整星正样产品研制、测试，性能指标达到设计要求。

CO2浓度是从观测到的吸收线深度推算出来的，因此高光谱探测仪的定标精度对于定量反演至关重要。已有研究表明，如果卫星测量的XCO2精度在8°×10°范围内能达到2ppm精度，应用卫星遥感的CO2产品可明显提高源、汇反演精度，但是，如果要分辨地球东西方向CO2浓度梯度（仅0.1～2ppm），卫星产品精度需要达到1ppm（相对于400ppm，约0.25%），除此之外，这些观测数据应该对大气低层（对流层甚至边界层）CO2具有较高的敏感性。上述需求给高光谱数据预处理，尤其是辐射定标、光谱定标精度提出了很高的要求。

整个辐射定标测试内容包括了暗信号（Dark Current Response），定标系数和信噪比测试。由于探测器的非线性响应，采用高阶多项式定标公式计算增益系数。暗信号的评估在没有输入能量的情况下进行。通过两轮完整的定标实验的比较分析，结果表明，辐射定标精度达到了设计指标要求，仪器稳定可靠。

高光谱仪器需要准确确定每一个通道的中心波长位置以及线型函数。高光谱CO2探测仪采用可调谐激光器、波长计等设备进行光谱定标。从探测器光谱维可以计算出，3个波段中心波长和线型函数测试数据量总和达22000条，测试工作量巨大，通过研制人员的努力，整个测试实现了自动化进行，完成了对每一个像元光谱维的测量，达到了设计指标要求。

“碳卫星”示意图

5 预期成果和应用

高光谱CO2探测仪在2015年经过了航空校飞试验，通过对不同实验区的飞行观测，获得了高分辨率的大气吸收谱，初步验证了原理样机的功能、性能。在“碳卫星”在轨运行后，它将通过国家卫星气象中心在全球布设的地面站点进行接收，时效在4h左右。各地面站接收到的数据汇集到数据处理中心，进行各级产品的生成和加工。原始数据经过解包质检后，得到1A级数据，经过定标、定位处理后，生成1B级数据，包含每个通道观测到的辐亮度信息。

多谱段云与气溶胶探测仪将提供大气云和气溶胶信息，在这些信息的辅助下，高光谱CO2探测仪的一级数据将进一步应用到采用最优估计的2级产品反演中，生成XCO2产品。为检验CO2产品精度，地面系统在全国布设了6个站点进行CO2产品精度检验，这些站点分别代表了不同的下垫面区域类型，分别是北京（代表中纬度地区）、漠河（代表高纬度地区）、乌鲁木齐（代表西部城市地区）、塔中（代表沙漠地区）、广州（代表低纬度地区）、瓦里关（代表大气本底）。在这些站点布设的高精度的地面CO2观测设备，对“碳卫星”二级产品精度进行检验。

二级产品经过进一步加工处理，可进一步生成旬、月时间尺度上的三级产品，即全球格点上的XCO2分布产品。这些数据可为全球大气CO2浓度增长引起的全球气候变化、海洋酸化、降水格局的变化提供支持，加强对温室气体浓度变化与气候变化机制的认识。在科技部“碳卫星”二期项目的支持下，二级产品还可通过同化技术，应用于全球碳传输模式中，进一步反演全球CO2源、汇分布。上述各级产品存储在国家卫星气象中心的数据存档和服务中心，对国内外进行公开发布，供各级研究机构使用。

作为专用的大气CO2监测卫星，“碳卫星”首先形成了我国具有自主知识产权的大气CO2浓度探测方法和能力，将使我国拥有第一手的全球遥感CO2数据，极大提升我国在全球CO2监测、排放方面的话语权，为我国在气候变化研究、国际气候变化谈判等方面提供强有力的支持。其次，“碳卫星”将提升我国高光谱遥感探测系统整体发展水平，填补我国卫星大气成分观测方面的技术空白。