文 | 张连翀 王丝丝 李静 杨东旭 咸迪

1.中国科学院空天信息创新研究院

2.国家对地观测科学数据中心

3.国家遥感中心

4.中国科学院大气物理研究所

5.国家卫星气象中心

气候变化是当今国际社会普遍关心的重大全球性问题。出于对气候和环境变化的高度重视，我国政府于2007 年正式发布了《中国应对气候变化国家方案》，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，而且是一个涉及到国家安全和国际环境外交的政治问题。为有效掌握全球二氧化碳（CO2）分布现状及变化趋势，我国于2016 年成功发射全球二氧化碳监测科学实验卫星（简称碳卫星，TanSat）。六年多来，碳卫星为全面掌握我国温室气体排放情况，形成全球大气污染和气候变化的监测能力奠定了技术基础和数据支撑。

一、碳卫星基本情况

碳卫星作为科技部“十二五”863 计划地球观测与导航技术领域“全球二氧化碳监测科学实验卫星与应用示范”项目的重大成果，由中国科学院与中国气象局共同研制。碳卫星搭载的核心载荷为高光谱温室气体探测仪（ACGS），辅助载荷为云与气溶胶偏振成像仪（CAPI）。其中，ACGS 的工作原理是在可见光和近红外谱段，利用分子吸收谱线探测CO2等温室气体浓度（表1），CAPI 可以测量云、大气颗粒物等辅助信息，为科学家精确反向推演CO2浓度剔除干扰因素（表2）。

表1 碳卫星ACGS 载荷性能参数

表2 碳卫星CAPI 载荷性能参数

针对陆地、海洋和目标研究区域等不同地表类型，碳卫星分别采用天底观测模式（Nadir mode）、耀斑观测模式（Sun-glint mode）和目标观测模式（Target mode）进行CO2观测。

二、碳卫星数据产品

依据《全球二氧化碳监测科学实验卫星数据管理办法（试行）》，碳卫星数据可以分为原始数据包数据、L0 级数据、L1A 级数据、L1B 级数据、L2 级数据和L3 级数据。其中L1A 级数据是经过几何定标及地理定位后的数据，L1B 级数据是在L1A 级数据的基础上经过辐射定标、几何定标后的数据（表3）。

L2 级数据是在L1B 级数据基础上经过数据质量筛选、云污染数据剔除、二氧化碳反演、反演结果筛选等一系列算法处理后生成的初级数据产品，例如大气二氧化碳柱平均干空气混合比（XCO2）产品；L3 级数据是在L2 级数据的基础上做进一步处理后得到全球网格数据产品。

中国科学院大气物理研究所刘毅研究员团队利用自主研发的碳反演数据分析系统（IAPCAS），于2017 年10 月向全球公开发布了中国碳卫星全球二氧化碳分布图（图1），并在随后几年的工作中将XCO2数据产品精度从2.11ppm 提升到1.47 ppm 的国际先进水平。

中国科学院空天信息创新研究院刘良云研究员团队攻克了高精度的叶绿素荧光卫星反演算法关键技术，于2018 年3 月发布了中国碳卫星全球叶绿素荧光反演图（图2）。与同期的美国OCO-2 卫星产品在空间格局、季节变化特征、取值范围等相比非常一致，表明中国碳卫星达到了美国OCO-2 卫星这一国际最高水平。

图2 中国碳卫星全球叶绿素荧光反演图

三、国际合作进展

碳卫星作为继日本GOSAT 和美国OCO-2 之后，国际上第三颗具有高精度温室气体探测能力的卫星，始终得到美国国家航空航天局（NASA）、日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）和欧洲航天局（ESA）等国外研究机构的高度关注。

2017 年10 月，第14 届地球观测组织（GEO）全会“中国日”活动在美国华盛顿特区举行。其间，碳卫星L1 级数据产品正式通过国家卫星气象中心和国家综合地球观测数据共享平台对外开放共享。截至2023 年5 月，累计服务英国、美国、日本、德国、法国、芬兰等6 个国家的29 个科学家团队，有力支撑了国际碳循环领域的科学研究工作。

2018 年，科技部国家遥感中心将“全球碳源汇时空分布状况”列为全球生态环境遥感监测年度报告的重点专题之一（图3），组织国内优势团队充分利用中国碳卫星数据技术特点，结合多源遥感数据，监测分析了2010—2017 年全球大气CO2时空分布格局，全球及重点地区碳源、碳汇的时空分布状况，探讨了全球碳源、碳汇变化的驱动机制，对落实减排成效和有关政策制定具有重要支撑作用。

图3 《全球生态环境遥感监测2018 年度报告-全球碳源汇时空分布状况》（中英文版）

2019 年1 月，由中国科学院空天信息创新研究院牵头承担的中科院国际大科学计划培育专项“国际碳卫星观测数据分析合作计划（CASA）”正式启动。该项目旨在促进所有碳监测数据的广泛应用和共同治理，更好地协作完成“净零排放”的共同目标。CASA 先后与欧、美、日等国的16个科研团队建立伙伴关系，汇聚了超过5 个国际观测计划的120TB 在线碳观测数据资源和200 万亿次计算能力，为47 个国家和地区的400 余位学员提供了全球碳减排进程及国内外政策、全球大气CO2浓度和地表通量同化技术、全球碳排放实时监测技术等领域的国际培训课程，促进了碳卫星技术和数据的交流与共享，取得了良好的社会效应和国际影响力。

2020 年1 月，科技部国家遥感中心和ESA签署关于温室气体遥感监测及相关事宜合作协议。在中欧双方共同推动下，目前碳卫星数据及相关产品已纳入ESA 第三方任务计划，并应用于ESA 气候变化倡议项目中；同时，欧方也将哨兵5 号先导卫星和未来荧光探测卫星任务等的温室气体卫星观测数据及第三方分发权授予中方，并通过国家综合地球观测数据共享平台对外共享，为推动中欧双方温室气体合作研究奠定了数据基础。

2021 年10 月，中国科学院大气物理研究所与芬兰气象研究所联合使用中国碳卫星CO2观测数据和欧洲哨兵卫星的二氧化氮（NO2）观测数据，选取了我国唐山（2018 年5 月6 日）和日本东京（2018 年3 月29 日）两个个例，定量计算了人为碳排放和NO2的相关性（图4）。计算结果和排放清单给出的结果一致，论证了通过联合应用中国碳卫星和欧洲哨兵卫星的协同观测，可以对CO2/NO2排放比例进行定量监测。同时，这也标志着我国已经具备空间监测人为活动碳排放的能力。2022 年6 月，该成果成功入选中国生态环境十大科技进展。

图4 中国碳卫星联合哨兵卫星监测我国唐山地区人为排放示意图（2018 年5 月6 日）

四、结语

中国碳卫星作为我国第一代温室气体监测专用卫星，实现了空间温室气体高精度监测的从无到有。基于碳卫星开展的一系列国际合作，是中国参与并促进数据共享和全球生态文明建设等方面作出的重要贡献。当前，在科技部国家重点研发计划等项目的支持下，以碳卫星的研究成果为基础的下一代碳卫星论证设计工作正在进行中，并将以应用需求与科学需求为出发点，更好地服务于全球和我国双碳目标的实现。