碳卫星问答

卢乃锰

为什么要通过卫星观测全球二氧化碳？

全球二氧化碳浓度的急剧上升是气候变暖的主要元凶。

在过去的150年，全球二氧化碳浓度从280ppm上升到400ppm，二氧化碳的温室效应导致全球平均气温在过去的100年间上升超过0.7K。由此造成极端天气事件发生频次增高，强度加大。过去我们二氧化碳气体含量及时空分布信息主要来自分布于全球各地的地面环境监测站，利用环境监测站监测大气痕量气体，具有数据可信度高、获取容易等优点。但也存在明显的不足。

（1）耗时耗力，难以进行宏观上的统筹规划：受到二氧化碳排放方式、扩散模式、气象因素、地形条件等诸多因素的影响，其时空分布复杂多变，必须采取加密站点的方式才能准确获取其分布信息，而站点的加密必将耗费大量的人力物力；

（2）地面观测获取的只是特定点上的数据，难以扩展到面，不能准确反应区域的二氧化碳环境状况：虽然理论上可以依靠监测点的结果，通过数据同化方法扩展到面，但当站点观测数据过于稀少时，这种扩展方式的可靠性本身也是一个有待研究的问题；

（3）观测受到行政边界的制约：由于卫星观测可以跨越国家行政边界，利用星载超高光谱大气探测，可以准确推算大气成分和不同气体的含量，发展星载高光谱大气探测便成为实现对全球温室气体和大气污染物排放监测的唯一手段。

国际上还有哪些国家在关注二氧化碳的卫星观测？

面对全球气候的明显变化，近20年来，许多重要的国际研究计划均在反复强调对以二氧化碳为核心的全球大气成分观测的重要性。尽管诸如Envisat和Aura等卫星也能通过星上搭载的多种高光谱分辨率大气成分探测仪的观测，获取全球大气主要成分的时空分布，这些观测所得到的主要是大气层中上部分信息，还不能准确反映二氧化碳柱浓度。在碳卫星立项之前，只有2009年发射的日本GOSAT卫星可以对二氧化碳柱浓度进行精度并不太高的观测。2014年，美国也发射了二氧化碳观测卫星OCO-2（OCO-1于2009年发射失败），可以比较准确地完成全球二氧化碳观测（误差1ppm）。

863碳卫星的立项背景和过程？

（1）国家需求

众所周知，工业革命以来，由于石油、煤等化石能源的大规模使用，导致大气中二氧化碳、甲烷等温室气体浓度急剧上升，引起全球气候变暖。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，由于人类活动影响，作为主要温室气体的二氧化碳、甲烷的浓度上升到2500万年以来的最高值，其中最为重要的温室气体二氧化碳的浓度已经由工业革命前的280ppm上升到接近400ppm。为了应对全球气候变化，我国政府于2007年6月4日正式发布了《中国应对气候变化国家方案》，这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，也成为一个涉及到国家安全和国际环境外交的政治问题。“十一五”末期，863地球观测与导航专家组在开展“十二五”战略研究时，注意到2009年发生了两个重大事件，一是哥本哈根气候大会，二氧化碳问题再次成为全球关注的焦点；另一个是日本发射了温室气体观测卫星GOSAT（同年美国二氧化碳观测卫星OCO-1发射失败），因此，我们863专家组把目光聚焦在全球二氧化碳监测上。

（2）科技前沿

利用空间技术手段实现对全球二氧化碳的观测，需要研制具有极高光谱分辨率的遥感仪器（其光谱分辨能力比常规的高光谱仪器高1～2个数量级），这不仅对于我们，而且对于日本、美国等发达国家也具有极高的技术挑战性。为此，863地球观测与导航领域专家组，面向国家应对气候变化的重大需求，着眼于国际和国内的技术发展，在“十一五”后期，走访了国内10余個技术优势单位，通过长达一年的前期深入论证，提出了“全球二氧化碳监测科学实验卫星及其应用示范”重大项目。这个项目的完成，将对填补我国在全球大气成分观测方面的空白，形成全球气候变化的监测能力、改进气候预估结果、满足我国国防建设和经济建设的急迫需求产生深远影响。与此同时，由于中国的经济已经走向世界，中国的科学技术也应该走向世界。中国碳卫星的发射在提升我国高光谱遥感探测系统整体技术水平的同时，也将为世界的科技发展作出贡献。

碳卫星的目标是什么？

面向全球变化、国家重大需求和科学研究前沿，以全球CO2遥感监测为切入点，研制光谱分辨率达到1/10nm的高光谱CO2监测仪（立项任务书中比这个指标还高，在研制过程中长春光机所遇到技术挑战，后经过深入论证，在基本不影响产品精度的前提下，对原指标有所调整）；采用多模敏捷观测平台，建立对全球重点区域进行高密度观测、可疑点多角度观测以及敏感区剖面观测能力，使我国在高光谱观测方面总体超过日本GOSAT，达到美国OCO-2的水平。在此基础上，以高光谱CO2遥感卫星资料为主，同时充分利用FY-3号等多源国内外系列卫星数据，突破高光谱数据辐射定标、光谱定标、气溶胶订正等一系列关键技术，初步形成天-地联合、全球覆盖的CO2分布探测能力，填补我国温室气体遥感监测的技术空白，提高我国在国际上的碳问题话语权。

碳卫星研制过程中都遇到了哪些技术挑战？

（1）卫星平台的挑战

碳卫星是目前国内观测模式最为复杂的民用卫星，包括3种对地观测模式和2种对日对月定标模式。这如同在天上翩翩起舞。这漂亮的舞姿却让研制人员捏着一把冷汗。频繁地改变姿态意味着大大增加了姿态稳定性的设计难度，更是增加了卫星的运行风险。为此，卫星总体上攻克了各种困难，圆满完成了平台的研制任务。

（2）仪器研制的挑战

为了从空间轨道观测获得大气CO2的精细分子吸收光谱，进而精准确定大气CO2的含量信息，高光谱CO2探测仪需要有极高的光谱分辨率（达到1/10nm），为此在几十纳米的波长宽度内，需要设有2200多个光谱波段，可以说是目前国内光谱分辨率最高的航天高光谱大气观测载荷。为此，研究团队需要研制口径200mm的大面积全息光栅，之前我国还没有该尺寸全息光栅的研制经历，更谈不上工程应用，研制团队攻克了大面积光栅曝光系统的难题，制造了国内第一块大面积Sic基底全息光栅，口径达到200mm，并成功应用于高光谱CO2探测仪航空飞行效飞。

（3）地面系统的挑战

除了卫星平台和载荷研制所碰到的困难外，地面系统的建设，特别是二氧化碳超高光谱反演方法的建立也遇到了前所未有的挑战。以往气象卫星所涉及到的反演问题，大多是集中在红外和微波谱段，而碳卫星所涉及到的是可见光和近红外谱段的反演，机理不同，难度加大。这需要考虑云与气溶胶、气压、温度、反照率等多因素的影响，重新设计全新的反演验证系统。因此，我们集中了国内优势单位，建立了老中青结合，跨部门的研究团队，开展了联合攻关，终于啃下了碳卫星反演的硬骨头，填补了国内技术空白。除了反演问题之外，超高精度的光谱定标、辐射定标也都是极其具有技术挑战性。这些问题被国家卫星气象中心的同志逐一攻克。

与美国和日本卫星相比，我们的碳卫星有什么特色？

日本GOSAT卫星2009年发射，升空之后遇到制冷机微振动、灵敏度不够等一系列问题。特别是它的刈幅宽度和采样点数远远小于我们，致使其有效采样点数只有我们的1/10（每天全球大概仅有300个），大大影响了数据应用。美国OCO-2卫星尽管指标先进，刈幅宽度还是只有我们的1/2，且设计上出现了一个失误，一定程度上也影响了数据的使用。此外，我们的云与气溶胶探测仪有9个通道，其中有专门为提高气溶胶观测精度所设计的偏振通道，这都是美国日本所没有的。我们的碳卫星可以在确保全球二氧化碳观测的同时，完成对全球气溶胶的综合观测。