一“碳”到底——天上人间如何监测“地球呼吸”

炎夏即将来袭，又到了啤酒要加冰的时节。最近却有一条新闻：随着美国新冠疫情确诊人数全球第一，多州宣布“强制隔离”。许多人纷纷表示“伤不起”——不是因为隔离，却是因为啤酒慌？

来自宾夕法尼亚的一位名叫Olive Veronesi的93岁老人最近成为了新闻人物，图片来源：大圣撩球

没错，由于美国汽油（其中乙醇汽油占到10%）需求量下降逾3成，用于生产CO2的乙醇产量大幅下滑。作为美味秘诀的CO2少了，啤酒、汽水短缺也成了板上钉钉的事实。 其实不只是美国，5月19日，一项发表在《Nature Climate Change》的最新研究显示，截至2020年4月初，全球CO2日排放量比2019年的平均水平下降了17%。成为二战以来年均CO2排放最多的一次下降。有人戏称：《巴黎协定》的减排目标这下”提前实现”了。

2016年4月22日在纽约签署《巴黎协定》现场，图片来源：环球网

其实自《巴黎协定》以来，参与国家纷纷承诺要实现CO2减排，但每个国家年碳排放究竟是多少，还有不少“糊涂账“。但是碳排放量可是减排力度的最终检验成果，对碳排放“斤斤计较”，是因为它可是各国坐在一起谈判的“筹码”。为了做到“可测量可报告可核查”，国际社会可没少吵。如何公平公正评估全球减排力度，碳排放交易制度的透明化是第一步，而这，就需要碳排放的量化监测了。

想要一“碳”究竟，可以称得上是一项史诗般的挑战。

CO2天上地下无处不在，从过去到现在，我们到底是用什么“神器”将他们一一“碳测”出呢？
别说。还真不是件容易事儿！
给CO2在地面安个家

从1989 年开始，世界气象组织WMO就建立了全球大气观测网计划（Global Atmospheric Watch，GAW），以监测全球温室气体的浓度变化。截止到目前，已有超过80个国家，31个全球站点、400多个区域站点和由全球贡献网络(GAWSIS)运营的大约100个贡献站点的活动和数据，逐步形成了覆盖全球各纬度的观测网。也为系统研究温室气体浓度的动态变化规律提供了重要的观测资料。

GAW全球站点分布，图片来源：WMO官网

虽然基于地基的传统大气CO2探测方法具有实测精度高、可靠性强等特点，但测量结果都是单点的局地测量，缺乏对全球范围或区域大尺度监测的能力和统一的探测方法。特别重要的一点是，站点分布极不均匀，沙漠海洋全军覆没，欧洲和北美洲站点数目一马当先，而其他国家就显得稀疏可怜。同时，站点只能反映地面CO2的分布，但是CO2可是上天入海无所不能。科学家们就将目光投向了海里的轮船，和天上的探空气球、飞机。像我们熟悉的商用飞机就会利用每次上天的机会，用搭载的探测仪进行温室气体的测量（PS：由于全球疫情蔓延，导致这部分数据也受

国家海洋局的近岸海洋环境监测船。图片来源：搜狐网

但是这样的观测毕竟具有局限性：行动成本太高，垂直精度也达不到预期。那么，更高一些——从天上看呢？

天外有天？不，天外有卫星高速发展的卫星遥感监测技术可以说解决了这种限制。凭借其数据稳定、长时间序列、空间范围广、有利于空间三维显示等优点,它迅速“C位出道”，成为监测温室气体分布的一种重要手段。早期，用来监测大气CO2的传感器都是被“捎带”上天的，例如我们熟悉的Aqua卫星。但是他们对CO2的变化显得有些“过敏性鼻炎”——可能没有那么敏感。因此近些年，各国跃跃欲试，开始研发专门针对碳监测的“嗅碳”卫星。由于极高的技术难度，目前只有三国“嗅碳”卫星在役:分别是日本发射的GOSAT系列（“呼吸“1，2号，分布发射于2009，2018年），美国发射OCO系列（“轨道碳观测者2，3号，分别发射于2014，2019年），而我国2016年发射的TanSat（全球CO2监测科学实验卫星，简称碳卫星），是第三颗。

 GOSAT 1（左）与 OCO-2（右），图片来源：NASA

大气物理研究所作为碳卫星计划的共同承担者， 接受了CO2浓度反演算法研发、碳源汇同化系统研发和卫星数据的科学应用等工作，可以说发挥了重要作用。碳卫星，作为近极地太阳同步卫星（卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的取向。由于这种轨道的倾角接近90°，卫星要在极地附近通过），虽然在卫星界是个十足的小个子，但利用最先进的星载高光谱温室气体探测技术，高精度探测和近全区域观测双实现，让碳排放无处遁形。以中国的TanSat为例，它每天在距地球700公里高度的轨道上空围着地球南北两极绕圈飞行，一天能跑14圈，实现约水平20 km的观测区域，星下点分辨率2x2km，16天“扫描”全球一次。

温室气体观测卫星星下点分辨率比较，来自参考文献3.

但是有个BUG却总是让它们黯然神伤：观测与云总是“势不两立“。当有云遮挡时，就会无法观测CO2的信息，留有大片数据空缺的区域。因此，只能通过不断重复观测空白区，才能把那些缺测数据一一填补，得到一张完整的地球CO2“体检报告”，所以实际得到全球数据的时间远远大于16天，而一般积累半年才能得到全球观测资料，积累一年才能提供一套完整的全球CO2监测数据（如美国卫星OCO-2）。

碳卫星CO2观测带宽20公里，气溶胶观测带宽400公里。图片来源：上海微小卫星工程中心

当然，数据测出来后，谁能够使用成为下一个关注点。2017年10月24日，TanSat数据正式开放共享，这意味着继日本、美国之后，中国成为第三个提供碳卫星数据的国家！而科学家知道，数据获取周期过长是目前碳卫星所面临的一大困境，所以他们更期待的是：如果中、美、日三家碳卫星数据互相“查漏补缺“，那么集齐一套完整的全球CO2监测数据时间将会大大缩短。反演反演再反演

卫星上了天，数据传下来，故事就结束了么? №！

卫星下传的数据是原始的辐射光谱，并不就是我们以为的CO2浓度。同时，受到水汽、云等的影响，会携带很多探测器“错误识别”的结果。这种干扰不仅导致数据无效，还会造成巨大计算浪费。TanSat的过人之处，就在于它自身携带的云和气溶胶探测仪，他们可以排除云、气溶胶的影响，使得测量更加准确。

同时，反演算法站了出来，提出想要计算出温室气体浓度，并且进一步降低或剔除这些影响，保证数据的有效性。

目前主流的反演算法大部分都基于差分吸收光谱(Differential Optical Absorption Spectroscopy, DOAS) 方法和最优估计((Optimal Estimation Method, OEM)方法研发。中国科学院大气物理研究所的刘毅研究员、杨东旭博士等基于最优估计算法，研发出具有我国自主知识产权的短波红外大气CO2浓度反演方法（IAPCAS），精度已达国际先进水平，并获得了碳卫星首幅全球CO2分布图

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CO2全球分布图，（上图)2017年4月，（下图)2017年7月。色标表示大气CO2柱平均干空气混合比（XCO2），参考文献2。

天地空协同，观测从不孤单卫星的出现填补了地面观测数据空间分布稀疏的不足，同时高质量的反演产品又离不开地面观测和飞机气球的检验。因此他们都不可或缺。当高度精确的局地测量数据与近全球覆盖范围的卫星测量数据的合作，才能保证全球尺度上更完整的大气成分和过程的图像。我国已经踏入温室气体卫星观测先进行列，在开展温室气体监测和应对全球气候变化研究中起到了重要作用。未来，我们期待反演算法“更上一层楼”，也期待地基观测精度的进一步提高。
2020年3月5日，《Nature》杂志在线发表的一篇多国科研人员联合署名的评论文章指出，如果要达成《巴黎协定》提出的控制气温升幅目标（即要实现把全球增温控制在1.5度范围内的目标），各国需付出4倍减排任务才可能实现。而这个任务属于每一个人，因为比研究更重要的是所有人参与到“低碳行动”。毕竟，2020年疫情导致的这次CO2下降是暂时的，持续性的气候行动才能让世界回到《巴黎协定》的目标轨迹上。正如《联合国气候变化框架公约》秘书处执行秘书埃斯皮诺萨女士表示，待疫情过后，各国的经济重启“将是一个机遇，让我们用更好的方式恢复，将脆弱群体纳入复苏规划，让21世纪的经济变得更加清洁、绿色、健康、公平、安全和坚韧。”

参考文献：

1.Yang, D., Y. Liu, Z. Cai, J. Deng, J. Wang, and X. Chen, 2015: An Advanced Carbon Dioxide Retrieval Algorithm for Satellite Measurements and its Application to GOSAT Observations. Sci. Bull.,60(23), 2063-2066.2.Yang D , Liu Y , Cai Z , et al. First Global Carbon Dioxide Maps Produced from Tan Sat Measurements[J]. Advances in Atmospheric ences, 2018, v.35(06):3-5.3.张兴赢, 孟晓阳, 周敏强,等. 卫星高光谱大气CO_2探测精度验证研究进展[J]. 气候变化研究进展, 2018, 14(06):60-70.4.https://www.nasa.gov/feature/nasa-invested-in-cracking-earth-s-carbon-puzzle5.https://www.umweltbundesamt.de/en/gaw#gaw-activities-in-germany