中国碳卫星：全球碳监测的初步结果 | Science Bulletin

        工业革命以来，人类活动对全球气候影响程度日益加剧。现有科学研究成果表明，人类排放的温室气体，尤其是含量高、温室效应强的大气二氧化碳（CO₂），是导致全球变暖的主要原因之一。全球变暖引发的海平面上升、亚热带地区沙漠化、极端天气多发和物种灭绝使其成为人类需要面对的最严峻环境问题之一。在《巴厘路线图》的“三可”（可测量、可报告、可核实）要求下，对高精度大气二氧化碳全球监测成为了一项亟需且艰巨的任务。

       肩负应对气候变化、获取全球CO₂数据的使命，中国首颗二氧化碳监测卫星—中国碳卫星（TanSat）于2016年12月22日在酒泉卫星发射基地成功发射升空并在轨运行，成为国际上第三颗具有高精度温室气体探测能力的卫星。中国碳卫星是“十二五”期间，由科学技术部立项，中国科学院和中国气象局及其下属院、所、中心等多家单位共同支撑的科学实验卫星计划，目标是实现全球大气二氧化碳（CO₂）高精度监测，为碳排放研究提供卫星资料。中国碳卫星自发射后，已经过在轨测试和定标等一系列工作，结果表明卫星各项功能和性能指标符合设计要求，为未来提供全球高精度CO₂观测数据打下坚实的基础。

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       中国碳卫星是一颗近极地太阳同步卫星，飞行高度约700公里，每天绕地球天飞行约14圈。其搭载的主载荷“高光谱分辨率大气二氧化碳探测仪（ACGS）”对近红外/短波红外地表反射太阳辐射的进行高光谱观测，通过CO₂含量对其吸收线深度和形状的影响关系，经反演提取大气二氧化碳平均干空气柱浓度混合比（XCO₂）。辅助载荷“云和气溶胶偏振成像仪(CAPI)”可以同步进行：

1

云检测，滤除云对观测精度影响；

2

气溶胶订正，降低气溶胶对反演精度的影响。

       本文回顾了中国碳卫星作为一颗科学实验卫星，从科学需求、卫星载荷研制、反演算法研发到发射后获得初步观测数据中涉及的科学问题和研究结果，首次给出碳卫星经过国际验证的观测精度。文中展示了基于中国科学院大气物理研究所自主研发的中国碳卫星反演算法（IAPCAS）反演获取了中国碳卫星自发射以来半年（2017年2~7月）的陆地上空XCO₂的观测结果（图1）。

图1. 中国碳卫星获取的2017年2~7月，全球陆地CO₂月平均分布

       结果很好地显示出大气CO₂的时间-空间分布和变化特征：

1

北半球XCO₂显示出明显的季节变化，从2月（冬季）至4月（春季）逐月升高；从4月（春季）至7月（夏季），XCO₂受到北半球植被生长和光合作用的影响，呈现逐月降低趋势；

2

北半球2~5月，由于人为排放造成的XCO₂高值明显，主要集中于美国东部和西部、欧洲西部、中国东部和南亚等地区；

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南半球XCO₂逐月增长。

       选取和美国OCO-2卫星观测重合的像元进行了观测精度的交叉对比分析，结果显示出相对偏差小于2ppm，体现了中国碳卫星和美国OCO-2观测结果的一致性。进一步选取全球地基验证观测网TCCON位于美洲、欧洲、亚洲和大洋洲的8个站点，对中国碳卫星XCO₂观测的精度进行了检验（图2），总体上讲，绝大多数观测结果误差小于4ppm。其中：美国在Lamont观测站附近的观测精度最高，误差仅为0.5ppm；在芬兰Sodankyla观测站附近的观测精度较低，误差达到2.27ppm；全球平均观测精度为2.11ppm，优于设计的4ppm精度。

图2. 中国碳卫星观测结果与全球地面标准验证站点对比

       中国碳卫星从研制、发射，到首批反演结果，初步具备了全球碳监测能力。未来需进一步提高观测精度，包括：定标精度和反演精度，将有助于为全球气候变化研究和减排政策的制定提供可靠的数据支撑。

感谢中国碳卫星团队中辛勤工作、努力付出的每一个人！

感谢国际同行对中国碳卫星的支持，特别是TCCON、OCO-2和GOSAT团队提供宝贵的数据和资料！

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Liu Y, Wang J, Yao L, et al. The TanSat mission: preliminary global observations. Science Bulletin, 2018, 63(18):1200-1207

https://doi.org/10.1016/j.scib.2018.08.004

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