探测“地球的呼吸”：中国碳卫星首幅全球陆表大气二氧化碳分布图

中国碳卫星原理和大气物理所反演算法

图3. 中国科学院大气物理研究所反演算法获取的首幅中国碳卫星大气二氧化碳全球分布图，（上图)2017年4月，（下图)2017年7月。色标表示大气二氧化碳柱平均干空气混合比（XCO2）。图中填色点表示中国碳卫星观测的大气二氧化碳浓度，纵向每条表示卫星过境时候的向下观测。 本`文内.容.来.自：中`国`碳`排*放*交*易^网 t a npai fan g.com

大气中的气体可以吸收太阳光，使穿过大气的太阳光具有特殊的光谱结构。CO2在短波红外吸收太阳光，含量越高，吸收越强，表现出吸收线越暗。碳卫星搭载的光栅光谱仪就可以识别出这些暗线，通过理论模拟计算，了解光谱的形态，就可以解析出CO2在大气中的含量，这个过程在卫星遥感中称作“反演”。太阳光辐射进入大气后，会受到分子散射、云和气溶胶散射和地表反射的影响，同时其他气体，例如：水汽和甲烷，也会产生吸收结构，这些都会对观测结果产生复杂影响，这些影响直接会造成观测精度需求极高的CO2探测数据无效（优于0.5%）。“反演”的重要工作之一就是将这些影响剔除或者降低，以保证数据有效。中国科学院大气物理研究所反演算法（The Institute of Atmospheric Physics Carbon Dioxide Retrieval Algorithm for Satellite Remote Sensing, IAPCAS），是基于最优估计方法的“全物理”反演算法，针对中国碳卫星观测方式和载荷指标，研发了中国碳卫星反演算法（TanSORA）。反演中高精度模拟太阳辐射在大气中传输过程和卫星探测光谱，与实测光谱进行对比，通过迭代调整大气CO2含量和其它对反演影响的大气和地表参数（例如：地表气压、温度、水汽、气溶胶、地表反射率等），最终模拟光谱和实测光谱的一致性满足既定的条件，对应的CO2含量即为反演结果。