衛(wèi)星遙感碳監(jiān)測技術(shù)研究進(jìn)展

＊吳春花 李維軍,2* 盧響軍

（1.石河子大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 新疆 832000 2.石河子市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站 新疆 832000 3.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)生態(tài)環(huán)境第四監(jiān)測站 新疆 830000）

2020年9月，我國明確提出2030年“碳達(dá)峰”和2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)[1]。雙碳的提出，使我國未來經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的基本要求轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色、低碳發(fā)展模式。全球自然環(huán)境十分脆弱，生態(tài)環(huán)境對發(fā)展的約束強(qiáng)烈，碳排放底數(shù)不清。自工業(yè)化以來，全球大氣二氧化碳（CO2）濃度正以每年3.9～6.0mg/m3的速度快速增加，截止2019年全球平均氣溫已上升了1.1℃，全球變暖已然成為全球性環(huán)境問題，對可持續(xù)發(fā)展帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[2]。高綠化等[3]認(rèn)為碳源是人為活動導(dǎo)致的CO2排放，碳匯是生態(tài)系統(tǒng)的凈碳吸收，全球CO2濃度分布的空間格局和時間變化是碳源、碳匯以及大氣傳輸作用的綜合結(jié)果。

1.“碳中和”目標(biāo)背景下的碳匯

自然碳匯是實(shí)現(xiàn)國家“碳中和”目標(biāo)的重要途徑。含碳的陸地生態(tài)系統(tǒng)包括：森林碳匯、草地碳匯以及海洋碳匯等。森林固碳和海洋固碳是我國實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)的重要手段，要充分發(fā)揮好森林固碳和海洋固碳的優(yōu)勢，降低我國實(shí)現(xiàn)碳中和的成本，以最優(yōu)成本分步實(shí)現(xiàn)碳中和。森林固碳是生態(tài)系統(tǒng)對大氣中CO2的吸收，并將其在植物或土壤中的固碳量，其中包括陸地上生物質(zhì)碳、地下生物質(zhì)碳和土壤碳三部分。海洋固碳也是自然碳匯的重要區(qū)域之一，在吸收、轉(zhuǎn)化、埋藏CO2等碳循環(huán)過程中起到了關(guān)鍵作用[4]。雖然目前我國海洋碳匯具有一定的研究基礎(chǔ)，但還需更加透徹地理解海洋碳匯的意義。

估算碳源碳匯，需要利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)與基地觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行時空匹配，實(shí)現(xiàn)全方位大氣中CO2濃度的測定，為碳監(jiān)測研究、碳循環(huán)、碳減排提供重要的科學(xué)依據(jù)。

2.研究現(xiàn)狀

目前，衛(wèi)星遙感碳監(jiān)測發(fā)展面臨著標(biāo)準(zhǔn)不明確、計量不準(zhǔn)確、技術(shù)不成熟、協(xié)同效率低等問題。在此形勢下，衛(wèi)星遙感碳監(jiān)測的發(fā)展成為必然趨勢，而研究其未來發(fā)展的戰(zhàn)略導(dǎo)向、體系架構(gòu)以及應(yīng)用探索更有助于“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[5]。從衛(wèi)星發(fā)展來看，第一代衛(wèi)星主要的任務(wù)是突破碳監(jiān)測衛(wèi)星的關(guān)鍵技術(shù)，所以總體探測效率較低，難以滿足全球和區(qū)域碳監(jiān)測需求[6]。為了解決這一需求，第二代碳監(jiān)測衛(wèi)星主要提高空間和時間的分辨率。

表1 綜合性遙感碳監(jiān)測衛(wèi)星的參數(shù)

(1)綜合性衛(wèi)星遙感碳監(jiān)測

近年來，許多綜合衛(wèi)星上都裝載了探測CO2有效成分的光學(xué)載荷。2017年11月，“風(fēng)云三號”D（FY-3D）極軌氣象衛(wèi)星發(fā)射成功，是我國第二代極軌氣象衛(wèi)星風(fēng)云三號的第4顆衛(wèi)星，首次搭載紅外高光譜大氣探測儀（High-spectral Resolution Infrared Atmospheric Sounder，HIRAS），實(shí)現(xiàn)全球、全天候、多光譜、三維、定量遙感[7]。2018年5月，“高分五號”（GF-5）衛(wèi)星成功發(fā)射，是我國第一顆高光譜觀測衛(wèi)星。熊偉[8]探究了GF-5衛(wèi)星上搭載溫室氣體監(jiān)測儀（Greenhouse gases Monitoring Instrument，GMI）的原理，利用空間外差光譜技術(shù)（Spatial Hetero-dyne Spectroscopy，SHS）獲取精細(xì)吸收光譜的數(shù)據(jù)，主要是獲取全球溫室氣體CO2和CH4柱濃度。2022年8月，在我國太原成功發(fā)射首顆陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星“句芒號”，配置多波束激光雷達(dá)、多角度多光譜相機(jī)、超光譜探測儀、多角度偏振成像儀等4種載荷，還搭載火點(diǎn)檢測敏感器，可實(shí)現(xiàn)森林火災(zāi)實(shí)時探測[9]。

FY-3D、GF-5和“句芒號”衛(wèi)星，將具有碳遙感監(jiān)測功能的載荷連接到綜合衛(wèi)星平臺上。這些載荷在目標(biāo)的選擇性、空間和光譜分辨率、反演精度和碳監(jiān)測器存在很大差異，使得高精度的定性監(jiān)測很困難。與第一代碳監(jiān)測衛(wèi)星相比，下一代衛(wèi)星在空間分辨率、探測精度和探測幅寬方面都有所提高，但是這些載荷不是探測大氣中溫室氣體的專用衛(wèi)星。

繼2002年ENVISAT衛(wèi)星發(fā)射成功后，歐洲航天局又成功發(fā)射了多顆碳源匯監(jiān)測衛(wèi)星。ENVISAT上搭載了大氣繪圖掃描成像吸收光譜儀（SCanning Imaging Absorption spectrometer For Atmospheric CartograpHY，SCIAMACHY），是首個采用短波紅外獲取高精度大氣CO2數(shù)據(jù)的綜合性星載儀，位于800km太陽同步軌道上，覆蓋了從紫外到短波紅外的工作波段，分光色散系統(tǒng)的主色散元件采用平面光柵衍射。但受空間和光譜分辨率的限制，獲取的CO2濃度的數(shù)據(jù)精度比較低，無法完全、準(zhǔn)確地獲取全球碳匯[10]。Dhanyalekshmi Pillai等[10]研究了碳監(jiān)測衛(wèi)星（CarbonSat）在城市碳排放方面的潛力，使用具有溫室氣體預(yù)測模型（WRF-GHG）組成的高分辨率建?？蚣芎拓惾~斯反演方法，模擬柱平均CO2干空氣摩爾分?jǐn)?shù)（XCO2）的城市大氣觀測數(shù)據(jù)，從CarbonSat XCO2觀測數(shù)據(jù)中推導(dǎo)出人為CO2排放及其誤差。結(jié)果表明，單個立交橋檢索到的柏林二氧化碳排放量的隨機(jī)誤差（RE）通常小于8～10Mt CO2yr-1，有助于實(shí)現(xiàn)城市尺度排放通量的目標(biāo)。

(2)典型衛(wèi)星遙感碳監(jiān)測

2018年10月，日本溫室氣體觀測衛(wèi)星（Gree-nhouse gases Observing SA Tellite-2，GOSAT-2）開始在軌運(yùn)行，搭載了熱-近紅外傳感器傅里葉變換光譜儀（TANSO-FTS-2）和云-氣溶膠成像儀（TANSO-CAI-2），GOSAT-2檢測在短波紅外（SWIR）區(qū)域近地表面反射太陽輻射的吸收光譜，以及大氣發(fā)射的熱紅外輻射（TIR）。TANSO-FTS-2測量O2A的波長位于0.76μm、用于探測弱CO2（WCO2）和強(qiáng)CO2（SCO2）的波長。Hiroshi Suto等[11]研究發(fā)現(xiàn)TANSO-FTS和TANSO-FTS-2測量的光譜分辨率在SWIR波段平均偏差2%和標(biāo)準(zhǔn)偏差0.5%以內(nèi)，在220～320K范圍內(nèi)，TANSO-FTS-2與AIRS-IASI的亮度溫度一致性優(yōu)于1K。

2014年7月，在加利福尼亞州的空軍基地軌道碳觀測衛(wèi)星2（OCO-2）成功發(fā)射，是碳監(jiān)測系統(tǒng)NASA第一顆用于測量XCO2的衛(wèi)星，包含三通道成像光柵光譜儀。OCO-2光譜儀通道在一條小于10km的帶狀區(qū)域收集24個光譜，每天探測近100萬次。光柵光譜儀在發(fā)射前進(jìn)行了廣泛的表征和校準(zhǔn)，并反饋了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，但在軌運(yùn)行一年半期間校準(zhǔn)發(fā)生了輕微的變化。OCO-2和TCCON XCO2估計值之間的中位數(shù)差異小于0.98mg/m3，均方根差異通常小于2.95mg/m3，增強(qiáng)衛(wèi)星數(shù)據(jù)對碳監(jiān)測系統(tǒng)的貢獻(xiàn)能力[12]。

繼日本的GOSAT衛(wèi)星和美國宇航局的OCO-2衛(wèi)星之后，2016年12月，中國二氧化碳監(jiān)測衛(wèi)星（TanSat）發(fā)射成功，是我國首顆用于觀測XCO2和約束區(qū)域碳通量反演的高光譜衛(wèi)星，位于700km太陽同步軌道上[13]。

表2 典型遙感碳監(jiān)測衛(wèi)星的參數(shù)

(3)下一代遙感衛(wèi)星碳監(jiān)測的發(fā)展

準(zhǔn)確監(jiān)測全球生態(tài)系統(tǒng)碳源碳匯需要碳衛(wèi)星具有高時空分辨率、高精度和多尺度等監(jiān)測數(shù)據(jù)的需求，改進(jìn)衛(wèi)星觀測的覆蓋范圍、足跡大小和重復(fù)周期，減小云和氣溶膠對大氣散射的作用，提高大氣二氧化碳反演精度。在目前碳衛(wèi)星研究基礎(chǔ)上，確定下一代碳衛(wèi)星監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。日本的GOSAT-2連續(xù)不間斷的對全球CO2和CH4觀測，還通過CO通道對局部碳排放和吸收進(jìn)行觀測。在相同的采樣模式下，GOSAT-2比GOSAT具有更高的信噪比和更寬的指向角度。美國的OCO-2面積相對較小，適合小城市的星載碳排放研究，但OCO-3的SAM測量覆蓋了更廣闊的視野，更適用于評估更大的聚集區(qū)域。進(jìn)一步提升OCO-3目標(biāo)觀測數(shù)據(jù)，并與地面監(jiān)測網(wǎng)進(jìn)行比較，有助于更好地了解OCO-3從空間評估點(diǎn)源和區(qū)域源的能力。中國下一代TanSat-2的目標(biāo)測量將集中在具有800～1000km狹長地帶的城市，使用成像過程和覆蓋500m足跡，記錄XCO2從中心到農(nóng)村地區(qū)的梯度，TanSat-2衛(wèi)星將搭載NO2探測儀器，提高從總預(yù)算中評估人為CO2排放，從而提高排放估計精度。

3.總結(jié)與展望

全球變暖正成為威脅人類生存和社會可持續(xù)發(fā)展的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。面對日益嚴(yán)重的氣候變化，如何有效應(yīng)對和減少二氧化碳排放已成為一個重要的社會和環(huán)境問題。我國正積極推進(jìn)衛(wèi)星遙感碳監(jiān)測研發(fā)進(jìn)程，與其他各國研究所開發(fā)機(jī)構(gòu)相互溝通交流校準(zhǔn)儀器，與基地監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)對比校準(zhǔn)。到目前為止，是世界上擁有溫室氣體衛(wèi)星最多的國家。充分發(fā)揮空間探測優(yōu)勢，期望更精細(xì)的探測分子吸收光譜的特征，提高碳排放探測精度；期望在星載高光譜碳監(jiān)測技術(shù)方面有更高的空間和光譜分辨率、更大的幅度和縮減衛(wèi)星的重訪周期，及時探測目標(biāo)區(qū)域的二氧化碳排放量，通過這些工作的實(shí)施，能夠?yàn)槠渌貐^(qū)構(gòu)建多維碳排放監(jiān)測技術(shù)體系、推進(jìn)碳達(dá)峰、碳中和工作提供示范參考研究目標(biāo)圍繞國家“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)。