AAS封面故事 | 从外太空探测“地球的呼吸”
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Yang, D. X., H. F. Zhang, Y. Liu, B. Z. Chen, Z. N. Cai, and D. R. Lü, 2017: Monitoring carbon dioxide from space: Retrieval algorithm and flux inversion based on GOSAT data and using CarbonTracker-China. Adv. Atmos. Sci., 34(8), 000–000, doi: 10.1007/s00376-017-6221-4.
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AAS封面故事
从外太空探测“地球的呼吸”
——利用卫星观测和高精度反演方法改进中国地区碳通量的计算
《大气科学进展》2017年第8期“碳专项”专刊封面。封面展示了论文作者应用中国科学院大气物理研究所研发的基于卫星观测的大气CO2浓度反演算法(Institute of Atmospheric Physics Carbon Dioxide Retrieval algorithm for satellite remote sensing, IAPCSA) 对GOSAT卫星（封面中所示卫星）资料进行反演实验，反演获取的CO2浓度产品应用于CarbonTracker-China （CT-China）进行中国地区碳源汇计算。图中填色图表示卫星观测的全球碳通量，其中红色表示碳排放较强的地区，图中直线排列的球型原子直观的表示了大气二氧化碳分子。
《中国气象报》科技版截图
该封面论文发表后，受到读者的广泛关注，并于2017年8月31日被《中国气象报》“科技版”报道。
全球变暖的罪魁祸首——温室气体
图源：https://www.pinterest.com/pin/70016969186367875/
人类活动中所产生的二氧化碳（CO2）及甲烷（CH4）等温室气体是造成全球暖化的主因之一。其不仅使得全球平均气温升高、海平面上升，更是导致干旱、洪水等异常气候现象的潜在主因。
控制全球变暖的关键就在于减少温室气体的排放量。IPCC2007评估报告表明，自工业革命以来增加的大气CO2的正的辐射强迫约为1.66W/m2,是造成全球增温的最重要的温室气体。而人类生产活动和化石燃料的燃烧，使得向大气中排放的CO2逐年增加。CO2就像在地球上套了一层玻璃房，将太阳送到地球的热量吸收并缓慢释放，使玻璃房里的温度升高，从而产生“温室效应”。
图源：https://www.aol.com/article/news/2017/04/06/climate-change-could-make-severe-turbulence-even-worse/22028640/
CO2在大气中的含量及其变化是由源和汇所决定的。那么，什么是“源”？什么是“汇”？简单地说，排放CO2的地方就是源，常表现为CO2浓度值比其它地区高；而吸收CO2的地方就是汇，常表现为CO2浓度值比其它低的地方低；源和汇在一些专业文献中常用通量这个物理量进行定量描述，即规定区域内单位时间CO2排放或吸收的总量，排放和吸收用正、负值区分。自然界中植物的光合作用是CO2一个重要的汇，而植物和动物的呼吸又是CO2一个重要的源，自然界的源与汇维持了CO2浓度的平衡。人类生产活动向大气排放温室气体成为一个重要的CO2源，对CO2浓度的平衡和全球碳循环产生了影响，使得每年留存在大气中的CO2含量逐年递增。然而由于探测资料的缺乏，人类目前对CO2源与汇的认识以及气候变化的研究仍然存在较大的不确定。
卫星观测CO2源与汇的需求
日本GOSAT卫星，首颗稳定在轨运行的温室气体监测卫星。本文即使用其数据进行的研究。
人类社会开始逐渐意识到全球变暖和气候变化将对我们赖以生存的环境带来极大的冲击，因此为了应对全球变暖的现状，2011年在南非德班召开的气候变化大会对温室气体制定了“可报告、可检测、可核实”的三可要求。但是达到这“三可”要求何谈容易，传统的地基大气CO2探测方法虽然具有精度高、可靠性强的优点，但是都是单点的测量，缺乏对区域和全球大范围、实时探测的能力和统一的探测方法，因此不能满足人类对CO2时空变化、CO2排放与吸收，以及全球变暖这一问题的深入研究和对气候变化的精确预测。
从地面测量二氧化碳都这么难，那么卫星是如何从遥远的外太空测量CO2呢？
具体来说，CO2在短波红外吸收太阳辐射，进而展现出特殊的光谱吸收结构，其含量越高，吸收越强，表现出吸收线越深，因此卫星观测CO2的吸收光谱的形态，就可以了解其含量。当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影响。由于对CO2的观测精度需求很高（优于0.5%），因此卫星探测CO2的难度极大。如果观测精度满足需求，经过理论计算，我们就能把地球上每个角落CO2排放与吸收的情况“尽收眼底”，进一步科学家就可以了解目前对于CO2排放与吸收的认识在什么地方存在不足，而进一步的改进将使我们对全球变暖和气候变化的认识更加深入。
卫星探测CO2浓度的方法
全球总碳通量图。
红色代表排放，蓝色代表吸收。
随着空间科学的发展，人类从20世纪末开始探索利用卫星获取全球覆盖的CO2观测及其排放。卫星可以围绕地球进行不间断观测，而太阳同步轨道卫星通过每天约14轨的观测，获取位于地球不同区域的观测资料，进而完成全球覆盖观测。早期的热红外探测卫星具有高精度大气CO2探测能力，但是由于其探测原理的局限，不能获取整层大气的CO2观测，仅能看清对流层中高层区域的状态，这就像盲人摸象，通过片面的观测不能了解全大气的情况。然而，随着探测技术的进一步发展，科学家开始使用短波红外高光谱对CO2进行探测，第一颗温室气体观测卫星日本GOSAT于2009年成功发射升空，随后美国OCO-2卫星和中国碳卫星（TanSat）随继分别于2014年和2016年发射升空，目前仅有该3颗卫星具有高精度CO2探测能力。
通过卫星资料计算排放源的方法
对CO2的监测，不仅需要获取其时间-空间分布状态，而更为重要的目的是获取其源与汇的信息。温室气体排放量一般通过地表通量的测量进而确定，但是大范围，特别是区域尺度的通量无法直接测量。卫星可以测量全球覆盖的大气CO2浓度，最终CO2的源、汇则通过资料同化的方法，使用卫星观测的CO2浓度进一步计算得到。
中国科学院吕达仁院士主持的“碳专项”——“卫星反演的净排放” 项目团队的杨东旭博士、刘毅研究员与合作者应用中国科学院大气物理研究所研发的基于卫星观测的大气CO2浓度反演算法(Institute of Atmospheric Physics Carbon Dioxide Retrieval algorithm for satellite remote sensing, IAPCSA) 对GOSAT卫星资料进行反演实验，获取了高精度的全球大气CO2浓度资料，有效提高碳通量的计算精度，从而降低温室气体排放在气候变化研究中的不确定性。
在这篇封面论文中，作者介绍了在中国科学院“应对气候变化的碳收支认证及相关问题”战略性科技先导专项的支持下建立的碳通量计算系统，实现了从卫星观测到碳通量计算。该系统由两部分构成：中国科学院大气物理研究所研发的基于卫星观测的大气CO2浓度反演算法（The Institute of Atmospheric Physics Carbon Dioxide Retrieval Algorithm for Satellite Remote Sensing, IAPCAS）和中国科学院地理科学与资源研究所研发的CarbonTracker-China（CT-China）碳同化系统。他们使用日本Greenhouse gases Observing SATellite（GOSAT）卫星观测资料进行大气CO2浓度反演和碳通量计算。为提高IAPCAS反演产品的质量，他们研发了一种基于观测参数和反演参数的质量控制方法，用于数据筛选和偏差订正等反演产品的优化，最终25~30%被认为是高质量产品，可供数据分析和碳通量反演使用。结合地表覆盖类型和人口密度，他们分析了大气CO2浓度的季节变化特征。使用IAPCAS的反演产品，应用CT-China开展了中国地区碳通量的计算实验，结果表明净生态系统CO2交换量为−0.34 Pg C yr−1 (±0.08 Pg C yr−1)。理论上讲，与仅使用地基观测相比，使用卫星资料的碳通量计算可以有效降低85%的不确定性。
为增强我们对大气碳浓度和碳源汇监测系统、人为排放气溶胶与气候变化的关系的理解，进一步减少我们对其相互关系认知的不确定性，《大气科学进展》特发表“碳专项”成果专刊。本文为“碳专项”成果之一，欢迎点击专刊地址阅读：
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https://link.springer.com/journal/376/34/8/
作者：杨东旭
编辑制作： 金玲
校对：林征
✬《大气科学进展》✬
除作者论文介绍图以外，
文中图片均来自于网络。
大气科学进展AAS
《大气科学进展(英)》(Advances in Atmospheric Sciences，简称AAS)——中国大气科学领域学术水平最高的英文期刊之一，1984年创刊，2009年被SCI收录。AAS主要发表大气科学领域的创新性研究成果，刊登气候学、大气物理学、大气化学、大气探测、气象学、天气学、数值天气预报、人工影响天气和应用气象学等各主要分支学科的国际最新创造性论文和研究进展的综合评述。2016年，AAS积极扩展栏目，除学术论文外，还设有数据描述文章、会议报告（特邀）、学科亮点(News&Views)（特邀）、及有关大气科学领域研究进展的讨论等。
《大气科学进展》由国际气象学和大气科学协会（IAMAS）中国委员会、中国科学院大气物理研究所、中国气象学会主办，由Springer和科学出版社共同出版，是国际IAMAS的合作期刊。来自9个国家、36个专业科研机构的60多位优秀责编全程监督审稿过程。
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