大气、二氧化碳甲烷天空一体化监测研究进展

薛勇

我国的碳中和目标涉及了二氧化碳以及其他一些温室气体。在二氧化碳和温室气体的监测领域，是未来非常重要的基础性工作。

大气中二氧化碳变量是影响全球气候变暖的一个主要因素。碳存在于任何地方，按照物理学的物质平衡原理，整个地球碳总量在理论上是不变的，只是它以不同的形式存在于各种地方，如陆地、海洋、大气。工业、化石、能源、交通甚至人类生活等都会产生二氧化碳，并以某种方式释放在大气中。2019年，大气中的二氧化碳浓度达到一个非常高的峰值，415亿吨。

提到全球气候变暖，首先想到的是二氧化碳，但甲烷温室效应能力是二氧化碳的23倍，它使气候变暖的能力非常高，且浓度比工业化之前高150倍。从气体特点上来讲，二氧化碳稳定且寿命长，甲烷不稳定寿命短，所以甲烷的量比二氧化碳少很多。稻田里、化石燃料、垃圾填埋、畜牧业等都产生大量的甲烷，北极冻土消融之后，也有很多甲烷被释放出来。如果能够充分利用甲烷，便是以另外一种方式降低二氧化碳的排放。

对温室气体的测量，一般会运用地籍测量、航空测量、卫星测量，通过繁衍算法推算二氧化碳、甲烷等气体的含量。地籍测量技术已经相当成熟且有历史。早在1948年，我国已经使用地籍测量法测量了大气中的光谱曲线。二氧化碳和甲烷的地籍测量主要是利用西周光谱作为地基台站测量，早期在夏威夷、南极开启，而后WMO世界气象组织，建立了全球大气观测系统，我国也在20世纪80、90年代建立了三个区域本体站和全球本体站。例如，瓦里关全球大气本底站是我国跟世界气象组织共享数据的一个中国本底数据站。

目前，全球有32个监测站点和110个区域的本体站，对于地球辽阔的空间来说，无法支撑整个地球在地图上二氧化碳的存在量测量。于是，便用卫星、航空测量，航空测量到目前为止仍没有成为系统，只是有个别实验。如日本曾利用航空公司，在飞机上面装上两个传感器，它把空气采样测量之后做测量测算。我们国家也做了一些实验，包括航空摄影和航空测量实验。利用民用航空器来采集大气样本，然后拿回来做分析。除此之外，我国家还做了激光雷达的航空测量，但是它是短时间内的密集的测量，如果长时间测量造价太高。

这种情况下，如果用卫星来做会更省钱省力，卫星的优势在于它是全球大范围监测，而且它可以长时间持续飞行，像一个非常连续、稳定的空中车辆。卫星遥感监测第一步是把卫星发射上天，建立卫星平台；第二步装上传感器，通过传感器波段与空间分辨率等获得数据；第三步是数据下来后，建立一个物理模型，把数据繁衍成需要的二氧化碳浓度。卫星测量主要采用三个模式，第一个是红外，可以看到热辐射的波动；第二个用近红外，这是需要反射的；第三种是主动的激光雷达，不同的卫星搭载不同的传感器。

2002年，德国布莱梅大学做的名为sky market传感器数据产品现已广泛被使用，验证了卫星测量的优势可行性之后，各国后续做了一系列卫星，包括我国的碳卫星，如2016年发了一个碳卫星TANSAT，以及其他国家发射的OCO等。每个卫星都有自己的特色， sky market作为最早的卫星，精度比较差，约为12～14个ppm，但做全球气候变化研究要求测量精度要小于1%，需在1～2ppm，sky market达不到，但它可以做大气污染监测，所以这颗卫星在大气污染监测方面应用很多。我国的碳卫星TANSAT精度就达到2～4ppm，已经接近做气全球气候变化研究的要求。除此之外，卫星遥感还有范围大小的问题，如果范围很大，那么它的分辨率就比较低，实操二氧化碳监测的时候，可能会对准每个发电厂，需要针对一个小区域，了解它的排放量，这些问题对于遥感的方式来说是个挑战。

在目前卫星分辨率不够精确的前提下，如何建立一个非常好的算法，能够通过卫星数据而得到较高的空间分辨率，以满足1%的精度要求的算法？现阶段，会尽量把几种观测手段联合起来使用，以避免观测数据受到环境及其他因素的影响。同时，卫星观测的时候有几种模式，比如说垂直向地球观测，或临边观测、斜着观测等各种模式。目前我国的风云卫星上面有几个传感器跟马斯特卫星类似，它的优势是性能比较稳定，目前一直在天上飞，誤差相对大点。

做二氧化碳排放量的监测、污染，欧洲环境卫星被使用的非常广泛，卫星搭载的传感器由荷兰气象局与美国联合设计，这个传感器能够测量二氧化碳、臭氧、二氧化硫、甲烷、一氧化氮等，其数据已被广泛使用，而且非常稳定。唯一的遗憾就是它的空间分辨率比较粗糙，但精度非常好。

所以我们也开拓了一些商业卫星的使用，上文提到卫星在天上飞的时候，很难对一个地区做定点测量，商业卫星的好处在于可以针对需求，只要给钱，就可以实现客户指定的地方拍摄。我国风云也带了一些传感器，可以做这个测量，但总的来说都存在反演精度不高，达不到1%的要求。

卫星发射的时候，它有个理论精度，还有一个实际最终产品的精度，这是稍微有些差异的。其实卫星在设计的时候，是希望能够测量到二氧化碳浓度，但是后来发现它的精度始终是达不到想要的要求。简而言之，所有卫星它们能测量的就是二氧化碳和甲烷的重浓度，卫星上得到的是重浓度数据，从天顶到天底下，跟地面测量对比会发现中间是有很大的差距。所以，有的传感器还可以做这个扩线测量，是未来的卫星发展的一个趋势。