中国碳卫星数据的应用现状

文｜刘毅 姚璐 王靖 杨东旭 蔡兆男 卢乃锰 吕达仁

1.中国科学院大气物理研究所 2.中国气象局国家卫星气象中心

一、前言

面对全球气候快速变化的严峻形势，减少二氧化碳（CO）等温室气体的排放成为国际社会的必然选择。CO排放的定量监测是实现有效减排的重要技术基础。为实现全球高精度的碳排放监测，星载探测技术得到了广泛关注，被应用于获取全球大气CO浓度分布情况，碳卫星由此应运而生。

中国首颗全球二氧化碳监测科学实验卫星（TanSat）于2016年12月22日在酒泉卫星发射中心成功发射，设计寿命为3年，是国际上第三颗具有高精度温室气体探测能力的卫星。TanSat由科技部立项，是“十二五”期间中国科学院和中国气象局等多家单位共同承担的科学实验卫星计划，旨在实现区域和全球大气CO柱平均干空气混合比（XCO）的高精度探测，为碳排放科学研究提供全球大气CO浓度资料，对增进全球碳循环过程认识，提升我国在国际气候变化方面的话语权具有重要意义。

二、TanSat卫星概况

TanSat采用700km的近极地太阳同步轨道，轨道倾角98.2°，在赤道地区的过境时间为当地时间13:30，重访周期为16天。为了满足高精度的CO探测需求，TanSat通过天底、太阳耀斑和目标三种模式分别针对陆面、海洋和目标研究区域进行探测。不同观测模式的交替意味着卫星在飞行过程中需要不断调整姿态，这要求卫星平台具有极高的灵活性和稳定性。TanSat采用推扫式进行大气探测，其扫描视场范围为沿跨轨方向的-30°～10°，扫描带宽为20km，每次扫描可同时获得9个探测点数据，观测在星下点位置处具有最佳的空间分辨率，为2km×2.3km。为了实现精准的CO探测和XCO反演，TanSat搭载了两台有效载荷：超高光谱大气CO光栅光谱仪（ACGS）和云与气溶胶偏振成像仪（CAPI），两台探测仪器均由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制。ACGS基于光栅衍射原理，记录地表反射的太阳后向散射光谱，覆盖0.76μm的O2-A波段，1.61μm的弱CO吸收波段和2.06μm的强CO吸收波段，三个波段的光谱分辨率分别为0.044nm、0.12nm和0.16nm，信噪比分别为360、250和180。其中，CO弱吸收波段是提取大气CO浓度的主要波段，O2-A波段和CO强吸收波段能够在反演中补充地表气压、云和气溶胶信息，降低大气状态不确定而导致的系统误差。CAPI以0.5km的高空间分辨率观测云和气溶胶性质，能够为XCO反演提供气溶胶同步观测信息，从而降低云和气溶胶的不确定性，改善XCO反演精度。

目前，TanSat已在轨运行5年，其二级数据产品也相继公开发布，包括全球高精度XCO数据集，全球太阳诱导叶绿素荧光（SIF）数据集和全球碳通量数据集，这些数据产品能够有效补充全球范围内大气CO、陆地植被及碳通量的状态信息，在大气CO动态监测、全球碳源汇及生态系统植被研究方面具有重要的数据支撑作用。TanSat各项科学数据产品的顺利产出标志着我国已初步具备系统化碳监测和应用能力，这将促进对全球碳循环对气候变化影响的全面理解，为我国的全球气候变化研究和碳中和目标的实现提供科学支撑。

三、TanSat数据产品

TanSat载荷探测获得的是高分辨率光谱数据，从光谱数据中提取具有实际物理意义的数据产品还需要反演算法的支持。由于反演精度的要求和复杂干扰因素的影响，实现单个探测点（2km×2.3km）范围内的高精度XCO遥感反演（<1%）面临着极大的挑战。中国科学院大气物理研究所（以下简称大气所）承担了TanSat XCO反演算法研发、碳源汇同化系统研发和卫星数据科学应用等工作。

利用自主建立的IAPCAS反演算法，大气所从弱CO吸收波段反演获取了第一幅全球陆面XCO分布图，并提供了第一版TanSat XCO数据产品，经国际碳柱总量地面观测网（TCCON）的站点数据验证，TanSat XCO数据精度为2.11ppm；为了提升产品精度，通过在线8阶傅立叶级数拟合优化了观测光谱，利用UoL-FP反演算法从O2-A波段和弱CO吸收波段获取了第二版本的TanSat XCO数据产品，产品精度为1.47ppm，与国际上其他卫星XCO数据产品具有相同的质量水平。利用改进后的TanSat XCO高精度数据产品，结合“自上而下”的集合卡尔曼滤波碳通量反演系统，大气所获取了TanSat首个全球碳通量数据集，时间覆盖范围为2017年5月至2018年4月，该估算结果与利用日本GOSAT卫星和美国OCO-2卫星资料的估算结果基本一致，表明了TanSat的全球碳通量监测能力。

除了主要的XCO数据产品，中国科学院空天信息创新研究院采用数据驱动算法从O2-A波段光谱中反演获得了757nm和771nm两个窗口内的太阳诱导叶绿素荧光（SIF）发射信号，发布了第一幅TanSat全球SIF分布图，并公开了观测点尺度的TanSat SIF数据集。鉴于卫星SIF产品地基验证的复杂性，大气所基于简单物理模型的算法获取了TanSat SIF数据集，并通过产品对比为卫星SIF反演算法的优化提供了思路。

目前，以上TanSat数据产品均已通过中国碳卫星数据服务平台（CASA）和国家地球系统科学数据中心公开发布，在全球和区域碳监测和生态系统植被研究中得到了较为广泛的应用。

四、碳监测应用

TanSat主要数据产品为大气CO柱浓度数据，表征了大气中CO浓度分布情况，有助于开展对全球CO分布及变化特征的深入研究，从而加深对全球碳循环的认识，其较高的数据精度不仅能够有效评估对人为排放的定量监测，同时也能用于实现对全球和区域碳通量的准确估算，为碳源汇分布和气候变化研究提供关键科学信息。

1.全球碳循环研究

全球碳循环是指在地球大气圈、生态圈、海洋和化石燃料地质贮存这四个主要碳库之间进行的碳交换过程，涉及生物化学和人为因素等多方面的相互作用和反馈。加强对全球碳循环的认识对于全球气候变化影响研究和碳中和目标实现具有重要的理论支撑作用。大气CO浓度的时空分布和变化是碳循环过程的主要表现形式之一，也是认识全球碳循环的最直接方式，TanSat的全球探测能力和高时空分辨率能够提供全球和区域尺度的大气CO浓度分布和变化特征，是碳循环研究的重要科学数据。

基于TanSat XCO数据集可以获得逐月的全球大气XCO分布图（图1），通过对比不同月份的全球大气CO分布状况，可以看出全球大气CO浓度存在明显的季节性变化特征。2017年3月至5月的北半球春季，由于工业活动和化石燃料燃烧等人为活动的影响，全球CO浓度分布呈现北半球远高于南半球的特征，特别是中国东部、美国东部和欧洲地区；随着北半球夏季的来临，陆地植被的光合作用效率增强，2017年6月至8月北半球CO浓度出现明显降低，有效反映了生态系统随季节变化的“固碳”作用。植被的季节性变化导致了南北半球之间XCO的梯度变化特征。由于TanSat较高的空间分辨能力和探测精度，利用全球XCO分布图也能够识别出人为活动频繁的区域，有利于开展重点区域的碳排放研究。从年际尺度上来看，2018年春季南北半球CO浓度明显高于2017年同期水平，表现了近年来全球大气CO浓度逐渐升高的变化趋势。TanSat XCO数据产品能够全面反映全球CO浓度的季节和年际变化特征，作为全球气候变化模拟的基础数据，有助于促进对气候变化的研究。

图1 第二版TanSat XCO2逐月全球分布图[6]

2.人为排放动态监测

人为CO排放是导致全球显著增温的主要因素，进行准确的区域CO探测对于监测和控制人为排放过程具有重要的指导意义。传统的地面观测通常只能获取较小范围内的大气状态，并且观测站点网络也存在分布不均匀，覆盖不全面等问题。卫星遥感具有时空连续且覆盖范围广的优点，可以很好地弥补这一缺陷。利用卫星探测光谱反演获得的大气CO浓度数据能够较为全面地反映区域尺度CO浓度的分布和变化情况，有助于快速定位区域CO排放热点，以便对区域CO排放量进行定量估算。

TanSat获取的高精度XCO数据产品能够分辨出高浓度背景下微小的CO浓度变化特征，因此可以用于准确提取由于人为活动造成的CO浓度增加量。同时，TanSat的最佳空间分辨率为2km×2.3km，其在20km的扫描带宽内具有区域范围连续探测的能力，为区域人为活动的CO排放监测提供了探测条件。利用TanSat单一轨道探测数据，可以清晰地分辨出卫星扫描轨道上随着地表覆盖类型而改变的大气CO浓度分布情况。通常城市地区具有较高的XCO，在郊区、山区等人为活动较少的区域，XCO较低。TanSat卫星数据对区域大气CO浓度变化的敏感表征，证明了人为活动是造成大气CO浓度升高的最主要原因。利用单轨高精度TanSat XCO数据，能够准确地分辨出排放过程导致的区域CO浓度的增加量，结合风场信息，利用不同的大气化学传输模型可以估算出点源排放（如发电厂、工业排放和火山喷发等）的CO排放量，将估算结果与排放清单的排放效率进行对比，能够对碳预算和排放政策进行有效评估。基于卫星探测数据建立由点及面的CO排放监测体系能够为碳中和目标的实现提供更丰富且直观的科学依据。

3.碳通量估算

人为排放造成了全球气候的明显变化，准确估算全球和区域碳通量是积极应对气候变化的迫切需要，关系着全球碳循环、气候变化研究和国际气候谈判结果。在中国“双碳”目标下，陆地碳通量估算结果在很大程度上意味着含碳能源的使用权和碳排放权。当前，全球碳源汇估算依然存在很大的不确定性，获取能够明确指示全球和区域碳汇分布和强度的信息，在全球碳盘点计划中获得话语权，需要可靠的科学数据产品提供支持。

卫星探测在时空尺度上具有连续性，能够补充稀疏地面观测站点无法获取的空间CO浓度分布信息，为“自上而下”的碳通量反演研究提供了较强的约束。“自上而下”的碳通量估算研究是TanSat XCO数据产品的主要应用目标之一。相较于先验通量数据，基于第二版TanSat XCO数据产品获取的全球碳通量数据的误差显著降低，证明了TanSat探测数据在反演中提供了有效信息。根据TanSat全球碳通量估算结果，发现春夏两季欧洲和欧亚大陆北部和温带的碳汇被明显低估，同样的情况也发生在冬季的北非，这表明TanSat全球碳通量估算结果有助于对全球碳源汇分布和强度产生更为清晰的认识。通过比较不同季节和年份的全球和区域碳通量估算结果，可以明确碳通量的季节性变化特征以及不同气候事件对碳通量的影响情况，有助于进一步了解碳汇构成，寻找遗失的碳汇，为全球碳循环的深入研究和碳汇利用奠定基础。

五、生态系统监测应用

植被作为陆地生态圈的重要组成部分，参与全球碳循环中源和汇两个过程，充分了解植物的呼吸和光合作用过程对准确计算全球碳通量具有重要的作用。植被在自然光照条件下会进行光合作用，在此过程中将会释放出波长较长的辐射，即太阳诱导叶绿素荧光（SIF）。SIF作为光合作用的伴生物，与光合作用效率相关，是植物光合作用的理想“探针”，能够及时准确地反映植物光合作用的真实工作状态并进行植物健康状况诊断。

SIF强度代表了植被光合作用活力，由于植被生长状况的季节性周期，TanSat SIF全球分布图也呈现出与当地植被生长状态相同的季节性变化特征，在不同季节具有不同的空间分布特征，体现了植被生长状态对SIF的主导作用。不同的植被类型由于生化过程的差异，其SIF发射强度差异也较为明显，SIF信号能够从宏观尺度对生态系统不同植被的生理过程研究提供信息。同时，植被生长状态受到湿度、温度等环境因素的影响，造成SIF发射强度发生改变，卫星SIF数据产品为环境对生态系统植被影响研究提供了新的思路。此外，卫星探测的SIF数据与光合作用的密切相关性，使其在陆地生态系统模型优化、总初级生产力（GPP）估算和全球碳循环研究等方面都具有很高的应用价值。卫星探测尺度的SIF能够准确估算生态系统GPP，结合同步反演的大气CO浓度数据，两者的协同应用将会极大改善对全球碳源汇的估算结果。

六、结束语

TanSat卫星的成功发射和数据产品的陆续发布，标志着我国已具备了全球碳收支的空间定量监测能力。在全球增温加速、极端天气事件频发的如今，准确监测全球CO是有效推动气候变化研究的重要需求。全球碳盘点计划和碳中和的目标实现也需要大量科学数据产品提供科学论证和理论支撑。未来，我国将以TanSat研究成果为基础，研发新一代的温室气体监测卫星。第二代碳卫星将建立包含6颗卫星组网的探测方式，加强时空覆盖程度，为全球CO动态监测提供充足数据，并以1ppm的精度作为目标，为全球碳通量计算提供支持，充分发挥自主知识产权的主动性，服务于“双碳”战略目标。