碳卫星：“把脉”全球大气治理

文章来源:中国科学报高雅丽2021-12-09 09:19

在中科院大气物理研究所研究员刘毅的办公室中，放着一个缩小版的全球二氧化碳监测科学实验卫星（以下简称碳卫星）模型。别看它身形小，却承担着监测全球二氧化碳浓度分布的“大”使命。

从国外专家口中的“impossible”到2016年成功发射，碳卫星已经在太空中工作了5年多。作为我国首颗、全球第三颗碳卫星，它实现了我国在空间温室气体高精度监测的从无到有，为应对全球气候变化贡献了科技力量。

今年7月，刘毅团队获取了中国碳卫星首个全球碳通量数据集和地图，这标志着我国具备了全球碳收支的空间定量监测能力，是继日本、美国之后的第三个具备该技术的国家。

精准监测碳排放

今年11月，在联合国气候变化公约第26次缔约方大会闭幕之时，多方代表签署了《格拉斯哥气候公约》，努力将全球升温控制在1.5摄氏度，以防止全球灾难性气候事件发生频率大幅上升。

温室气体排放导致全球气候变化已经成为国际社会共识，在节能减排刻不容缓的形势下，为了达到《巴厘路线图》的“可测量、可报告、可核查”量化减排目标，世界各国政府都迫切希望能有切实可行的测量方法和技术。2009年，日本成功发射了全球首颗碳卫星GOSAT；2014年，美国航空航天局（NASA）成功发射了OCO-2。

为了提升我国在气候变化谈判等问题上的国际话语权，建立和完善温室气体排放统计制度，2011年，在“863”计划的支持下，“全球二氧化碳监测科学实验卫星与应用示范”重大项目（中国碳卫星）正式立项。

这是一项多部门合作的任务，中科院负责工程总体，中科院国家空间科学中心、中科院微小卫星创新研究院、中科院长春光学精密机械与物理研究所、中科院大气物理研究所和中国气象局国家卫星气象中心等多家单位共同承担了科学实验卫星计划。

在碳卫星的研发过程中，非常重要的一环就是建立温室气体卫星观测的模拟和反演系统（IAPCAS），将卫星的原始观测资料“翻译”成可供科学家使用的数据。

刘毅表示，碳卫星目标是实现全球大气二氧化碳柱平均干空气混合比（XCO2）的高精度监测，而卫星遥感大气二氧化碳面临的主要挑战是精度要求高、干扰因素多、反演难度大。

国家需求就是科技攻关的方向，刘毅带着中科院大气物理所副研究员杨东旭等团队中的年轻人，全身心投入到工作中。

“我们从科学问题倒推碳卫星需要什么样的反演系统，全链路的思想贯穿了整个IAPCAS的研发过程。当时杨东旭的博士论文还在做气溶胶相关课题，碳卫星的需求也让他转向了这个新的领域。”刘毅说。

最终，杨东旭研发了卫星遥感反演算法，高精度模拟太阳辐射在大气中的传输过程，充分优化气溶胶光学性质随波长的变化以及卷云的连续吸收等特征，显著降低误差，提高反演精度，还能大幅提高计算效率。

为全球气候提供科学依据

研制碳卫星绝非孤军作战，不仅实现了多个部门的密切配合，也实现了“863”计划管理模式和航天工程管理模式的融合。2016年12月22日凌晨，万众瞩目的碳卫星终于迎来了升空的时刻，这也是刘毅第一次在现场看卫星发射。

“凌晨的酒泉很冷，可我们心里热乎乎的，我国的碳卫星绝不是简单的copy，有自主知识产权。”刘毅说。

在卫星完成在轨测试后，刘毅团队要利用反演算法解析观测数据，从而获得全球二氧化碳分布图。2017年的地球观测组织（GEO）年度大会即将举办，大家都希望能在会上公布碳卫星的“首秀”成果。

刘毅回忆，当时人手紧张、时间也紧迫，团队成员的日子都是按“小时”计算，终于在2017年9月底拿出了首幅全球二氧化碳分布图，平均精度达到了2.11 ppm。成果一经发布，受到与会的美国航天局、日本宇航研发机构和欧洲空间局等国外研究机构代表的高度关注。

随着时间推移，更多的成果接踵而至。2020年，刘毅团队改进了数据质量和反演算法，将数据精度提升到1.5ppm的国际先进水平，同时首次利用物理算法反演获得了陆地生态系统太阳诱导叶绿素荧光数据产品，2021年计算获取了中国碳卫星首个全球碳通量数据产品。

“全链路的思想起到了关键作用。”刘毅说，“我们的工作压力大，也要感谢团队里可爱的年轻人，希望他们能够尽快成长，[R1] 承担更多的国家级任务，研究出更多创新性成果。”

走向开放共享

碳卫星的底色是合作和开放，2017年我国碳卫星数据产品对全球用户免费开放，中国成为继日本、美国之后，第三个可以提供碳卫星数据的国家。

“但是，更大的挑战在于如何用好卫星遥感这一探测手段，服务全球盘点和我国双碳目标的实现。”刘毅说。

要实现全球统一、无偏差的碳收支核算，仅仅有目前的三颗卫星是不够的。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）制定的《2006年IPCC国家温室气体清单指南》，各国清单须按照其方法进行编制；2019年IPCC对清单指南进行了补充修订，增加了利用大气观测支撑清单编制与验证，这就为我国发展新一代温室气体监测卫星提出更为迫切需求。

“国别清单的误差、偏差、透明度等问题依然无法避免，因此在研发卫星同时，更要按照科学规律使用好卫星数据，碳中和不是零和博弈，需要全世界各个国家共同努力、合作共赢。”刘毅说。

当前，欧洲也已经将碳卫星列入计划，“我们希望通过这颗卫星和美国、日本等其他国家合作形成碳卫星‘虚拟星座’，联合观测大气二氧化碳，为全球气候变化提供更加丰富的监测数据。”

大气二氧化碳是导致气候变化的主因之一，其增与减涉及大气圈、生态圈、岩石圈、海洋圈、人类圈等多个圈层的相互联系，科学利用观测和模型剖析二氧化碳在这些圈层间的循环是制定前进方向的必经之路。

目前，新一代碳卫星的设计与研发已经提上日程，刘毅表示，未来将面向我国双碳目标的监测需求、国际社会的盘点需求，助力人类命运共同体实现“碳中和”。