国外天基温室气体遥感载荷发展研究

宋晶晶（北京空间科技信息研究所）

1 引言

温室气体的增加会加强温室效应，还会使气候发生变化，影响许多地区的自然生态系统。随着全球变暖问题日益受到关注，卫星遥感为大气温室气体含量监测提供了新的思路，卫星遥感能够大尺度、全天时、长周期、连续地对地球大气、海洋和陆地生态环境进行监测，能够更好地获得全球时空分布与变化特征。目前以欧美为主的航天大国都在积极发展专用于温室气体探测的遥感载荷，温室气体遥感探测技术从开始的综合性遥感载荷探测发展到专业遥感载荷探测，遥感载荷类型从被动遥感扩展到主动遥感，观测模式也从单一模式向天底、临边、耀斑和目标等多种模式相结合发展。

依据地球观测卫星委员会（CEOS）和世界气象组织（WMO）的“观测系统能力分析和评估工具”（OSCAR）的官方数据库，针对应用于二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、氢氟碳化物及六氟化硫5类长生命周期的温室气体观测的天基遥感载荷，可分为天底穿轨扫描红外探测仪、天底穿轨扫描短波探测仪、临边扫描探测仪和天基激光雷达共4类载荷。其中目前在轨的温室气体任务均采用位于地球同步轨道上的被动探测遥感载荷进行观测，未来将发展地球静止轨道探测遥感载荷以及主动探测遥感载荷，这些新任务将确保观测数据的连续性，提供更好的分辨率和精度，更高的重访周期和更全面的覆盖范围，从而提高观测水平，有助于关键问题的进一步解决和开发更好的地球系统过程模型，加强全球对于温室气体的了解和研究。

2 典型天底穿轨扫描红外探测仪发展情况

天底穿轨扫描红外探测仪通常工作在中波红外和热红外谱段，光谱分辨率可达0.1cm，空间分辨率约为10km。用于温室气体观测的典型天底穿轨扫描红外探测仪主要包括美国目前在轨的大气红外探测器（AIRS）和穿轨红外探测器（CrIS），欧洲航天局（ESA）目前在轨的红外大气探测干涉仪（IASI）和在研的下一代增强型大气探测干涉仪（IASI-NG）。

AIRS是搭载在美国国家航空航天局（NASA）“水”（Aqua）卫星上的综合性遥感载荷。Aqua卫星于2002年5月4日发射，截至目前已成功在轨工作了16年，仍持续每天向气象预报中心传回70亿个实时观测数据。AIRS由BAE系统公司（BAE Systems）红外与成像系统部门（LMIRIS）研制，主要数据产品是对流层内的大气温度、湿度和地表温度的高精度三维垂直分布图，在过去的16年里显著提高了天气预报的准确性。此外，AIRS还能够绘制温室气体分布图、追踪火山喷发以及森林火灾排放的烟雾，测量氨等有毒化合物和预测干旱区域。AIRS团队于2008年绘制出首个对流层二氧化碳全球地图，揭示出其超过预期的变化情况。AIRS的高灵敏度和稳定度使AIRS团队能够成功反演对流层（8～10km）的二氧化碳浓度，水平分辨率达到100km，精度优于2ppm，成为测量和绘制对流层二氧化碳浓度的有效手段。

CrIS是搭载在美国“国家极轨环境业务卫星系统预备项目”（Suomi NPP）卫星以及“联合极轨卫星系统”（JPSS）系列的4颗卫星上的温室气体任务有效载荷，其中Suomi NPP卫星发射于2011年10月28日，JPSS-1卫星发射于2017年11月15日，后3颗卫星分别计划于2021年、2026年和2031年发射。CrIS由美国雷声公司（Raytheon）研制，延续了AIRS的品质，在它运行期间不断推出新成果，为天气和气候应用提供了更加精确和详细的大气温度、湿度观测资料。

CrIS扫描几何和覆盖范围示意图

AIRS扫描几何和覆盖范围示意图

IASI是ESA“气象业务”（MetOp）系列的3颗卫星上的温室气体任务有效载荷，3颗卫星分别发射于2006年、2012年和2018年。IASI的主承包商是泰雷兹-阿莱尼亚航天公司（TAS）。IASI工作在红外频段，能够昼夜不间断工作，每24小时提供120万量级的大气频谱数据。IASI的14个工作波长为15μm的高光谱分辨率的通道，具有对二氧化碳的高度敏感性，而对于其他大气成分则敏感度较低。其探测通道同时对大气温度具有高度敏感度，通过与搭载在MetOp卫星上的先进微波探测仪（AMSU）测量的温度数据相抵，在月级别空间分辨率为5°×5°时，可获得二氧化碳测量精度约为2.0ppmv（0.5%），IASI还提供了几个专对大气甲烷敏感的通道，经过数据反演可获得的月级别测量精度约为16ppbv（约1%）。

IASI扫描几何和覆盖范围示意图

IASI-NG是欧洲在研的下一代极轨气象卫星系统——“第二代气象业务”（MetOp-SG）系列的3颗卫星上搭载的温室气体任务有效载荷，是IASI的改进型产品，主承包商是法国阿斯特留姆公司（现空客防务与航天公司），其中首颗卫星MetOp-SG A1将于2021年发射。IASI对于一些含量较少的大气组分（如甲烷、一氧化二氮和一氧化碳），仅能观测到有限的光谱特征，因此仅用于气柱浓度测量。要想获得这类组分的垂直分布则需要进一步提高载荷的光谱分辨率，在IASI基础上开发的新一代IASI-NG的光谱和辐射性能得到了进一步改进，包括：由于光谱分辨率的增加，对下部对流层更好地进行垂直覆盖；由于信噪比提高，对测量辐射的吸收光谱信号干扰减少，因而提高了热力学、气候和化学变量的反演精度，几种大气成分的探测范围也有所提高。预计未来，IASI-NG可能为欧洲的数值天气预报、大气化学和气候研究团体带来巨大益处。

3 典型天底穿轨扫描短波探测仪发展情况

天底横向扫描短波探测器通常工作在紫外、可见光、近红外和短波红外谱段。光谱分辨率范围从亚纳米级到几纳米，空间分辨率约为10km，水平采样通常为不连续采样，其中紫外谱段主要应用于臭氧测量，扩展到可见光与近红外谱段之后，则可以进行一些包括氯化物和NOX等大气成分的测量，再扩展到短波红外谱段之后，就可以进行一些温室气体探测。用于温室气体观测的典型天底穿轨扫描短波探测仪主要包括美国目前在轨的轨道碳观测仪－2（OCO－2 instrument）和在研的下一代轨道碳观测仪－3（OCO－3 instrument）。

OCO－2观测模式示意图

轨道碳观测仪－2是搭载在美国轨道碳观测－2（OCO－2）卫星上的遥感载荷。OCO－2发射于2014年7月2日，是继2009年2月24日OCO－1发射失败之后，成功发射的全球首颗专门监测二氧化碳的卫星。OCO－2至今已获取大量温室气体测量数据，每天可在全球范围内测量10万次大气二氧化碳，其高分辨率卫星数据揭示了碳与地球上的海洋、陆地、大气生态系统和人类活动等之间的微妙关系，展示了对科学的新见解。

目前，美国喷气推进实验室（JPL）正在研制的轨道碳观测仪－3，是OCO－2卫星的下一代专用温室气体探测载荷，该载荷计划2019年搭乘货运飞船去往“国际空间站”（ISS）。与飞行在太阳同步轨道上、每天近乎在相同时刻对地球观测的OCO－2卫星不同，OCO－3在“国际空间站”低地球轨道以51.6°倾角对地观测，因此可以实现全天对二氧化碳浓度进行监测。

为能够从“国际空间站”进行测量，OCO－3载荷进行了2个重大设计变更：增加了灵活的2轴指向机制和极化机制，从而能够实施更灵活的新型观测战略。与OCO－2载荷相比，OCO－3载荷在51°N和51°S纬度之间的采样密度更高，并且能够在每个轨道上以天底、耀斑或快照模式进行观测。与OCO－2载荷相比，OCO－3载荷对海洋上空的采样数量增加了1倍，能够以1ppm的精度对密集目标（如城市、发电厂或海岸线）进行测量。OCO－3载荷对大多数区域的探测精度将与OCO－2载荷相同，但该载荷不对南部海洋进行观测。

OCO－3快照模式示意图

OCO－2和OCO－3将为NASA计划于2022年发射的“地球静止轨道碳循环观测台”（GeoCarb）任务铺平道路，该任务将在全球首次从地球静止轨道利用凝视遥感载荷对地球进行观测，其首要目标是监测整个美洲的植物健康和植被胁迫，并对自然资源、碳循环和一氧化碳、二氧化碳及甲烷的交换过程以更高的精度进行探测。GeoCarb卫星所处的经度使其能够对美洲大陆从北纬50°，至南部从哈得逊湾南端到南美洲南端之间的区域进行“从墙到墙”的观测。GeoCarb卫星将以大约5～10km的空间分辨率，每天采集1000万次二氧化碳、甲烷、一氧化碳和太阳诱导荧光（SIF）的浓度信息。GeoCarb将补充OCO－2卫星和其他低地球轨道卫星的测量，填补时间和空间上的数据覆盖缺口。

OCO－3载荷除了与OCO－2载荷一样有天底、耀斑和目标观测模式之外，还增加了城市（City）观测模式，即快照（Snapshot）模式，该模式是由目标模式延伸而来。在目标模式下，OCO－3载荷对约50km×50km的地面区域每3min可进行约3600次采样。在快照模式下，当“国际空间站”直接飞过区域中心时，可覆盖范围约100km×100km。

GeoCarb卫星观测示意图

4 其他天基温室气体遥感载荷发展情况

除上述两类遥感载荷外，用于温室气体观测的遥感载荷还有临边扫描探测仪，如搭载在加拿大航天局于2003年8月12日发射的对地观测小卫星科学实验任务——大气化学实验科学卫星－1（SCISAT－1）上的大气化学实验傅里叶变换光谱仪（ACS-FTS），该载荷采用临边观测模式对温室气体进行观测。此外还有天基激光雷达，如计划搭载在欧洲“甲烷遥感激光雷达任务”（MERLIN）卫星上的集成路径差分吸收激光雷达（IPDA LIDAR）以及计划搭载在美国“日夜及季节性二氧化碳排放主动监测”（ASCENDS）任务上二氧化碳探测激光雷达。其中MERLIN任务是首次利用“主动型”雷达载荷进行甲烷气体探测，此前都只是利用搭载“被动型”载荷的对地观测卫星进行大气层甲烷气体测量，而该二氧化碳探测激光雷达将以超越以往的高精度对大气中的二氧化碳进行监测。

5 总结和分析

采用多种观测模式相结合的红外高光谱探测技术，是温室气体遥感载荷的主要发展方向

温室气体吸收地球表面、大气和云层发出的红外辐射，因此温室气体遥感载荷普遍工作在红外谱段。低地球轨道平台上的天基红外遥感载荷已经对天气预报的改进作出了巨大贡献，高光谱红外遥感载荷由于可以探测出温室气体丰富的诊断性光谱特征，可提供温室气体包括趋势、季节性、上至中对流层的强辐射（如火灾）以及大气传输等众多信息，因而正为监测大气成分变化发挥关键作用。通过采用天底、临边和掩日等不同观测模式满足不同温室气体探测需求，此外，高光谱红外遥感载荷还通过与各种不同遥感载荷相结合而实现不同的用途，如：1）通过结合短波红外观测数据，可将对温室气体敏感的观测区域从仅对流层延伸至行星边界层+对流层；2）采用临边探测模式，可通过反演观测数据，获得二氧化碳垂直分布图。

基于激光的主动遥感探测技术，是未来温室气体遥感载荷的重要发展方向

尽管被动遥感技术对于了解全球碳循环做出了很大贡献，但采用被动遥感技术只有在晴空无云的有利条件下，才可以精确测量大气中的气体。由于主动探测遥感技术采用一个更简单的固定观测几何，具有共同的垂直照明和观测路径。确定范围的激光测量消除了大气散射的误差。这种方法可以在白天和黑夜、在海洋和陆地表面、在所有纬度和一年中的任何时间进行测量。主动探测遥感技术对于对流层低层二氧化碳具有更高的敏感性，在该大气层中大气浓度对于地表通量的反应最强烈。主动激光雷达能够更频繁地观测南部海洋，特别是在冬季，被动遥感载荷实际上无法对黑暗海洋进行观测。基于激光主动遥感的温室气体观测能够实现高精度、全天时、全天候监测的新技术，是未来全球温室气体观测的发展方向。随着天基激光雷达探测技术研究的逐步深入，这些主动激光探测技术有望同被动探测遥感技术有机结合，成为精确观测温室气体的重要手段。

发展静止轨道温室气体遥感载荷探测技术，与低轨道平台观测数据互相补充

虽然采用太阳同步轨道遥感载荷测量温室气体能提供全球覆盖，但它们的重访时间长，覆盖缺口范围较大，并且通常始终在一天的同一时间对指定区域实现1～2次观测（通过采用2颗LEO卫星上的相同载荷可实现2次重访）。由于天气对生态系统的影响时间范围为几天到几周，采用低地球轨道测量可能会错过这些变化以及其如何与生物体活动相互联系这些信息。而地球静止轨道遥感载荷将补充低地球轨道遥感载荷的测量数据，填补时间和空间上的数据覆盖缺口，有利于开发更好的地球系统过程模型，提高天气预报和改善地球环境。