我国温室气体观测卫星建设及典型数据应用

文 | 张连翀 徐丹 咸迪 杨东旭

1.中国科学院空天信息创新研究院

2.国家对地观测科学数据中心

3.生态环境部卫星环境应用中心

4.国家卫星气象中心

5.中国科学院大气物理研究所

2023 年3 月联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布的第六次综合评估报告指出，2011—2020年全球地表温度较工业化前（1850—1900年）高出1.1℃。化石燃料燃烧和土地利用等人类活动排放的温室气体，已毋庸置疑引起了全球变暖[1]。近年来，高温、干旱、暴雨等极端天气气候事件频繁发生且强度增大，对未来人类社会的可持续发展带来严峻挑战。科学准确地监测温室气体浓度、来源以及变化趋势是温室气体排放统计核算的基础。与传统地面站点监测方法相比，卫星遥感具有分辨率高、覆盖范围广、重访周期短、连续动态等独特优势，为开展全球、全国和区域尺度温室气体监测提供了高精度、基础性数据支撑。

一、我国温室气体观测卫星建设规模

作为世界上最大的发展中国家，我国坚定不移走生态优先、绿色低碳的发展道路，全面有效落实《联合国气候变化框架公约》及其《巴黎协定》。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035 年远景目标纲要》提出，我国力争2030年前实现碳达峰、2060 年前实现碳中和。

2016 年以来，在科技部“十二五”863 计划地球观测与导航技术领域“全球二氧化碳监测科学实验卫星与应用示范”项目、风云气象卫星工程、高分辨率对地观测系统重大专项和国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015—2025 年）的推动下，我国自行研制和发射了5 颗搭载温室气体监测载荷的卫星，通过高光谱、激光雷达等技术获取二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）等主要温室气体的浓度分布和时间变化信息，初步形成了全球覆盖、多尺度、互为补充和验证的遥感业务监测与评估体系。

1． 全球二氧化碳监测科学实验卫星（TanSat）

全球二氧化碳监测科学实验卫星（简称碳卫星）于2016 年12 月22 日发射，是我国首颗、国际上第三颗具有高精度温室气体探测能力的卫星。该卫星搭载的高光谱温室气体探测仪（ACGS）采用大面积衍射光栅在可见光和近红外谱段，利用分子吸收谱线探测CO2等温室气体浓度。

卫星主要性能指标如下：

· 卫星质量：620kg；

· 温室气体载荷：高光谱温室气体探测仪（ACGS）；

· 光谱范围（μm）：0.758 ～0.776、1.594 ～1.624、2.041 ～2.081；

· 运行轨道：700km 太阳同步轨道；

· 观测对象：CO2；

· 观测模式：天底观测、耀斑观测和目标观测。

2．风云三号D 卫星（FY-3D）

风云三号D 卫星于2017 年11 月15 日发射，2019 年1 月1 日正式投入业务运行，是我国低轨道下午气象观测的主业务卫星。该卫星搭载的近红外高光谱温室气体监测仪（GAS）可以获取CO2、CH4、一氧化二氮（N2O）等主要温室气体的浓度分布和时间变化信息，提高区域尺度上地表温室气体通量的定量估算，分析和监测全球碳源碳汇。

卫星主要性能指标如下：

· 卫星质量：2300kg；

· 温室气体载荷：近红外高光谱温室气体监测仪（GAS）；

· 光谱范围（μm）：0.75 ～0.77、1.56 ～1.72、1.92 ～2.08、2.20 ～2.38；

· 运行轨道：800km 太阳同步轨道；

· 观测对象：CO2、CH4；

· 观测模式：天底观测。

3．高分五号卫星（GF-5）

高分五号卫星于2018 年5 月9 日发射，2019年3 月21 日正式投入使用，是世界首颗实现对大气和陆地综合观测的全谱段高光谱卫星。该卫星搭载的大气主要温室气体监测仪（GMI），采用空间外差干涉光谱技术获取近红外—短波红外光谱范围内的遥感数据[2]，主要用于获取CO2、CH4等主要温室气体的全球分布，为气候变化研究提供基础数据。

卫星主要性能指标如下：

· 卫星质量：2700kg；

· 温室气体载荷：大气主要温室气体监测仪（GMI）；

· 光谱范围（μm）：0.759 ～0.769、1.568 ～1.583、1.642 ～1.658、2.043 ～2.058；

· 运行轨道：太阳同步轨道，轨道高度705km；

· 观测对象：CO2、CH4；

· 观测模式：天底观测和耀斑观测。

4．高光谱观测卫星（GF-5 02）

高光谱观测卫星于2021 年9 月7 日发射，2023 年4 月4 日正式投入业务运行，是生态环境部牵头研制建设的首颗具备业务化能力的环境观测卫星。该卫星搭载的大气主要温室气体监测仪（GMI）充分继承高分五号卫星的成熟技术，采用天底和耀斑两种观测模式对陆地和海洋不同地表类型特点进行观测。

卫星主要性能指标如下：

· 卫星质量：2700kg；

· 温室气体载荷：大气主要温室气体监测仪（GMI）；

· 光谱范围（μm）：0.759 ～0.769、1.568 ～1.583、1.642 ～1.658、2.04 ～2.058；

· 运行轨道：太阳同步轨道，轨道高度705km；

· 观测对象：CO2、CH4；

· 观测模式：天底观测和耀斑观测。

5．大气环境监测卫星（DQ-1）

大气环境监测卫星于2022 年4 月16 日发射，是世界首颗具备CO2激光探测能力的卫星。该卫星搭载的大气探测激光雷达（ACDL），在国际上首次采用激光路径差分吸收方法，可全天时、全天候地获取CO2浓度变化信息和气溶胶散射系数廓线、消光系数廓线、光学厚度、边界层高度等垂直分布信息，弥补以往被动观测的不足。

卫星主要性能指标如下：

· 卫星质量：2800kg；

· 温室气体载荷：大气探测激光雷达（ACDL）；

· 运行轨道：太阳同步轨道，轨道高度705km；

· 观测对象：CO2；

· 观测模式：主动观测。

此外，在国家一系列政策大力支持和引导下，我国商业遥感卫星设计研发和制造能力迅速攀升，商业空间基础设施、商业发射场与测控等技术与系统取得重要成果，越来越多的企业开始参与碳源碳汇遥感监测卫星的建设或应用。

西安中科西光航天科技有限公司于2021 年提出了基于超精细光谱探测技术的商业碳监测遥感卫星星座规划，国内首颗商业甲烷监测卫星——XIGUANG-004 卫星计划于2024 年发射。该卫星质量60kg，搭载甲烷浓度探测仪、叶绿素荧光探测仪及多光谱成像相机，具有多种工作模式，能够满足卫星遥感监测“双碳”目标用户的多方面需求。其中，甲烷浓度探测仪可实现0.1nm 的光谱分辨率，具备甲烷柱浓度定量探测、目标地点上方甲烷柱浓度量化等功能；叶绿素荧光探测仪的光谱分辨率高达0.5nm，可以有效探测植物叶绿素光合作用时产生的微弱荧光光谱变化信息，可以实现植物生产总量的评估，对碳汇交易起指导作用。

山东产研卫星信息技术产业研究院有限公司于2022 年启动“全球重点目标碳排放监测卫星星座”建设，联合中国科学院微小卫星创新研究院等机构计划2025 年三批次完成11 颗碳卫星组网，构建针对工业园区、重点企业的碳排放“发现+核查”卫星监视系统，届时将具备对全球10000 个重点目标进行高精度碳排放监测能力。

北京未来碳星空间科技有限公司也于2022年提出了由1 颗全球星和32 颗碳卫星（8 个轨道面、每轨4 星）组成的“未来碳星计划”。每颗卫星质量约55kg，光谱分辨率为0.3nm，激光通信速率为1.25 ～1.5Gbit/s，通过搭载高光谱相机和星间激光通信载荷，实现在500km 轨道对全球范围的CO2和CH4含量快速观测，以及重点目标小时级的观测能力。整个星座的发射计划于2025 年完成。

二、我国温室气体观测卫星典型数据应用

1．大气CO2 柱浓度（XCO2）监测

大气CO2柱浓度（XCO2）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。中国科学院大气物理研究所刘毅研究员团队自主研发了碳反演数据分析系统（IAPCAS），反演获取了TanSat 卫星全球XCO2数据，精度达到1.47 ppm[3]，实现与国际同类卫星（如OCO-2、GOSAT）同等产品精度，数据集被欧洲航天局（ESA）作为第三方卫星观测数据（TPM）进行全球共享，推动了中国科技部与ESA 在温室气体卫星遥感领域的深度合作；对全球CO2浓度观测资料与中国气象局6 个CO2浓度观测站数据进行数据同化，计算我国碳通量的时空分布。研究结果揭示了之前被低估的中国地区陆地生态系统的碳汇[4]；开展了基于中国碳卫星的全球碳通量计算，获得了首个中国碳卫星的通量产品[5]，估算不确定性显著降低（30% ～50%），这也标志着我国已经具备空间监测人为活动碳排放的能力。上述里程碑成果，为基于我国碳卫星研究生态系统碳汇、生物圈- 大气碳交换、人为源与自然源区分等碳中和重大科学问题研究奠定了基础（图1）。

图1 IAPCAS 系统在TanSat 的数据应用——中国碳卫星首幅全球CO2 通量分布图

2． CH4 排放监测

人为CH4排放也是导致全球显著增温的主要因素，进行准确的区域CH4探测对于监测和控制人为排放过程具有重要的指导意义。中国科学院合肥物质科学研究院通过高分五号卫星GMI 获取1.65μm 通道的CH4吸收光谱信息，得到了与国际同类仪器接近的CH4柱浓度（XCH4）全球分布结果（图2）[6]。

图2 高分五号卫星GMI 反演得到的2018 年9 月平均XCH4 全球分布

生态环境部卫星环境应用中心利用高光谱综合观测卫星于2022 年秋季（7 月1 日—9 月30 日）开展了全球大气CH4监测工作，监测结果清晰反映出较明显的纬度分布特征，与TCCON 站点测量数据对比，CH4反演精度优于20ppm。2022 年9 月北溪天然气管道泄漏事件引发国际社会广泛关注，为了跟踪该事件的发展态势，生态环境部卫星环境应用中心于9 月30 日调用该卫星对北溪天然气管道沿线进行了应急监测，并联合武汉大学、南京大学等开展了CH4排放异常遥感识别及量化工作，发现在丹麦博恩霍尔姆岛东侧北溪2 号管线上有一处较为明显的CH4排放异常，估算排放量约70 t/h（图3）。

图3 基于高光谱综合观测卫星的北溪天然气管道沿线CH4 排放异常监测

3． CO2 主动探测

相比被动探测，星载激光雷达主动探测具有不依赖于光照条件（全天时）、高空间分辨率、出色的垂直探测能力、受气溶胶和云散射影响较小等优势，通过沿轨进行大气垂直探测，实现精细尺度、高精度的温室气体分布信息获取，为碳源汇（特别是人为源）、温室气体通量、全球碳循环研究提供关键数据。大气环境监测卫星的大气探测激光雷达，是国际上第一个同时具备大气气溶胶和CO2探测的载荷，目前已首次获得全球两极地区及全球夜晚的CO2柱浓度，并将与高光谱综合观测卫星组网运行，实现每天3 次大气环境、红外全球覆盖。

三、总结与展望

经过多年的建设和发展，我国温室气体观测呈现出天-空-地一体化多源数据支持的前景，不仅为我国大气污染防治和空气质量预报提供数据和技术支撑，也为构建全球性温室气体多星观测平台作出了贡献。“十四五”期间，我国将继续加大新型卫星研发和应用系统建设力度，进一步提升全球主要温室气体和大气污染物遥感监测能力，为支撑国家“双碳”战略目标的实现、应对全球气候变化提供遥感监测数据支撑。

致谢：本文相关数据由中国资源卫星应用中心、中国科学院微小卫星创新研究院、中国科学院上海光学精密机械研究所、中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所、西安中科西光航天科技有限公司、山东产研卫星信息技术产业研究院有限公司、北京未来碳星空间科技有限公司等提供支持，在此一并表示感谢。