卫星遥感碳监测技术研究进展

＊吴春花 李维军,2* 卢响军

（1.石河子大学化学化工学院 新疆 832000 2.石河子市生态环境监测站 新疆 832000 3.新疆生产建设兵团生态环境第四监测站 新疆 830000）

2020年9月，我国明确提出2030年“碳达峰”和2060年实现“碳中和”的目标[1]。双碳的提出，使我国未来经济社会发展的基本要求转变为绿色、低碳发展模式。全球自然环境十分脆弱，生态环境对发展的约束强烈，碳排放底数不清。自工业化以来，全球大气二氧化碳（CO2）浓度正以每年3.9～6.0mg/m3的速度快速增加，截止2019年全球平均气温已上升了1.1℃，全球变暖已然成为全球性环境问题，对可持续发展带来了严峻的挑战[2]。高绿化等[3]认为碳源是人为活动导致的CO2排放，碳汇是生态系统的净碳吸收，全球CO2浓度分布的空间格局和时间变化是碳源、碳汇以及大气传输作用的综合结果。

1.“碳中和”目标背景下的碳汇

自然碳汇是实现国家“碳中和”目标的重要途径。含碳的陆地生态系统包括：森林碳汇、草地碳汇以及海洋碳汇等。森林固碳和海洋固碳是我国实现“碳中和”目标的重要手段，要充分发挥好森林固碳和海洋固碳的优势，降低我国实现碳中和的成本，以最优成本分步实现碳中和。森林固碳是生态系统对大气中CO2的吸收，并将其在植物或土壤中的固碳量，其中包括陆地上生物质碳、地下生物质碳和土壤碳三部分。海洋固碳也是自然碳汇的重要区域之一，在吸收、转化、埋藏CO2等碳循环过程中起到了关键作用[4]。虽然目前我国海洋碳汇具有一定的研究基础，但还需更加透彻地理解海洋碳汇的意义。

估算碳源碳汇，需要利用卫星遥感监测数据与基地观测数据进行时空匹配，实现全方位大气中CO2浓度的测定，为碳监测研究、碳循环、碳减排提供重要的科学依据。

2.研究现状

目前，卫星遥感碳监测发展面临着标准不明确、计量不准确、技术不成熟、协同效率低等问题。在此形势下，卫星遥感碳监测的发展成为必然趋势，而研究其未来发展的战略导向、体系架构以及应用探索更有助于“双碳”目标的实现[5]。从卫星发展来看，第一代卫星主要的任务是突破碳监测卫星的关键技术，所以总体探测效率较低，难以满足全球和区域碳监测需求[6]。为了解决这一需求，第二代碳监测卫星主要提高空间和时间的分辨率。

表1 综合性遥感碳监测卫星的参数

(1)综合性卫星遥感碳监测

近年来，许多综合卫星上都装载了探测CO2有效成分的光学载荷。2017年11月，“风云三号”D（FY-3D）极轨气象卫星发射成功，是我国第二代极轨气象卫星风云三号的第4颗卫星，首次搭载红外高光谱大气探测仪（High-spectral Resolution Infrared Atmospheric Sounder，HIRAS），实现全球、全天候、多光谱、三维、定量遥感[7]。2018年5月，“高分五号”（GF-5）卫星成功发射，是我国第一颗高光谱观测卫星。熊伟[8]探究了GF-5卫星上搭载温室气体监测仪（Greenhouse gases Monitoring Instrument，GMI）的原理，利用空间外差光谱技术（Spatial Hetero-dyne Spectroscopy，SHS）获取精细吸收光谱的数据，主要是获取全球温室气体CO2和CH4柱浓度。2022年8月，在我国太原成功发射首颗陆地生态系统碳监测卫星“句芒号”，配置多波束激光雷达、多角度多光谱相机、超光谱探测仪、多角度偏振成像仪等4种载荷，还搭载火点检测敏感器，可实现森林火灾实时探测[9]。

FY-3D、GF-5和“句芒号”卫星，将具有碳遥感监测功能的载荷连接到综合卫星平台上。这些载荷在目标的选择性、空间和光谱分辨率、反演精度和碳监测器存在很大差异，使得高精度的定性监测很困难。与第一代碳监测卫星相比，下一代卫星在空间分辨率、探测精度和探测幅宽方面都有所提高，但是这些载荷不是探测大气中温室气体的专用卫星。

继2002年ENVISAT卫星发射成功后，欧洲航天局又成功发射了多颗碳源汇监测卫星。ENVISAT上搭载了大气绘图扫描成像吸收光谱仪（SCanning Imaging Absorption spectrometer For Atmospheric CartograpHY，SCIAMACHY），是首个采用短波红外获取高精度大气CO2数据的综合性星载仪，位于800km太阳同步轨道上，覆盖了从紫外到短波红外的工作波段，分光色散系统的主色散元件采用平面光栅衍射。但受空间和光谱分辨率的限制，获取的CO2浓度的数据精度比较低，无法完全、准确地获取全球碳汇[10]。Dhanyalekshmi Pillai等[10]研究了碳监测卫星（CarbonSat）在城市碳排放方面的潜力，使用具有温室气体预测模型（WRF-GHG）组成的高分辨率建模框架和贝叶斯反演方法，模拟柱平均CO2干空气摩尔分数（XCO2）的城市大气观测数据，从CarbonSat XCO2观测数据中推导出人为CO2排放及其误差。结果表明，单个立交桥检索到的柏林二氧化碳排放量的随机误差（RE）通常小于8～10Mt CO2yr-1，有助于实现城市尺度排放通量的目标。

(2)典型卫星遥感碳监测

2018年10月，日本温室气体观测卫星（Gree-nhouse gases Observing SA Tellite-2，GOSAT-2）开始在轨运行，搭载了热-近红外传感器傅里叶变换光谱仪（TANSO-FTS-2）和云-气溶胶成像仪（TANSO-CAI-2），GOSAT-2检测在短波红外（SWIR）区域近地表面反射太阳辐射的吸收光谱，以及大气发射的热红外辐射（TIR）。TANSO-FTS-2测量O2A的波长位于0.76μm、用于探测弱CO2（WCO2）和强CO2（SCO2）的波长。Hiroshi Suto等[11]研究发现TANSO-FTS和TANSO-FTS-2测量的光谱分辨率在SWIR波段平均偏差2%和标准偏差0.5%以内，在220～320K范围内，TANSO-FTS-2与AIRS-IASI的亮度温度一致性优于1K。

2014年7月，在加利福尼亚州的空军基地轨道碳观测卫星2（OCO-2）成功发射，是碳监测系统NASA第一颗用于测量XCO2的卫星，包含三通道成像光栅光谱仪。OCO-2光谱仪通道在一条小于10km的带状区域收集24个光谱，每天探测近100万次。光栅光谱仪在发射前进行了广泛的表征和校准，并反馈了高质量的数据，但在轨运行一年半期间校准发生了轻微的变化。OCO-2和TCCON XCO2估计值之间的中位数差异小于0.98mg/m3，均方根差异通常小于2.95mg/m3，增强卫星数据对碳监测系统的贡献能力[12]。

继日本的GOSAT卫星和美国宇航局的OCO-2卫星之后，2016年12月，中国二氧化碳监测卫星（TanSat）发射成功，是我国首颗用于观测XCO2和约束区域碳通量反演的高光谱卫星，位于700km太阳同步轨道上[13]。

表2 典型遥感碳监测卫星的参数

(3)下一代遥感卫星碳监测的发展

准确监测全球生态系统碳源碳汇需要碳卫星具有高时空分辨率、高精度和多尺度等监测数据的需求，改进卫星观测的覆盖范围、足迹大小和重复周期，减小云和气溶胶对大气散射的作用，提高大气二氧化碳反演精度。在目前碳卫星研究基础上，确定下一代碳卫星监测技术的发展。日本的GOSAT-2连续不间断的对全球CO2和CH4观测，还通过CO通道对局部碳排放和吸收进行观测。在相同的采样模式下，GOSAT-2比GOSAT具有更高的信噪比和更宽的指向角度。美国的OCO-2面积相对较小，适合小城市的星载碳排放研究，但OCO-3的SAM测量覆盖了更广阔的视野，更适用于评估更大的聚集区域。进一步提升OCO-3目标观测数据，并与地面监测网进行比较，有助于更好地了解OCO-3从空间评估点源和区域源的能力。中国下一代TanSat-2的目标测量将集中在具有800～1000km狭长地带的城市，使用成像过程和覆盖500m足迹，记录XCO2从中心到农村地区的梯度，TanSat-2卫星将搭载NO2探测仪器，提高从总预算中评估人为CO2排放，从而提高排放估计精度。

3.总结与展望

全球变暖正成为威胁人类生存和社会可持续发展的严重挑战。面对日益严重的气候变化，如何有效应对和减少二氧化碳排放已成为一个重要的社会和环境问题。我国正积极推进卫星遥感碳监测研发进程，与其他各国研究所开发机构相互沟通交流校准仪器，与基地监测网络对比校准。到目前为止，是世界上拥有温室气体卫星最多的国家。充分发挥空间探测优势，期望更精细的探测分子吸收光谱的特征，提高碳排放探测精度；期望在星载高光谱碳监测技术方面有更高的空间和光谱分辨率、更大的幅度和缩减卫星的重访周期，及时探测目标区域的二氧化碳排放量，通过这些工作的实施，能够为其它地区构建多维碳排放监测技术体系、推进碳达峰、碳中和工作提供示范参考研究目标围绕国家“碳达峰”和“碳中和”目标。