我國碳衞星實現城市二氧化碳排放定量監測

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2022-10-26

據中國科學院大氣物理研究所網站10月25日消息，中國科學院大氣物理研究所中國碳衞星研究團隊聯合芬蘭氣象研究所團隊首次利用中國碳衞星（TanSat）觀測定量識別和計算城市碳排放，**證實了中國碳衞星具有城市級別碳排放監測的能力。**在温室氣體遙感監測合作協議支持下，本研究聯合使用了歐洲哨兵衞星（Sentinel-5P）的二氧化氮（NO2）觀測。研究結果於10月25日在線發表在SCI期刊《大氣科學進展》上。

研究結果：污碳協同的城市排放觀測

應對或減緩全球變暖，是人類在21世紀面臨的挑戰。由於化石燃料燃燒和土地利用變化等人為活動，二氧化碳（CO2）濃度增加了40%以上。與化石燃料使用有關的排放尤其侷限於當地，城市地區是全球CO2排放量的主要貢獻者，佔全球排放量70%以上。儘管新冠肺炎疫情對全球經濟體造成了較大的影響，但化石燃料CO2排放量2021年仍然增加了5%。與此同時，我們在計算人為排放方面仍然存在較大的不確定性。

利用碳監測衞星進行全球人為排放的監測更具優越性。碳監測衞星直接觀測大氣CO2濃度，僅憑單一CO2要素的觀測，定量區分CO2濃度變化源來自於人為排放還是自然過程是一個難點問題。化石燃料燃燒為CO2人為排放之主要來源，而石油等化石燃料的燃燒伴隨排放二氧化氮（NO2），即人為排放CO2和NO2具有較強的同源性，因此，理論上通過NO2和CO2的同步監測，就可以有效地計算對人為碳排放。本研究聯合應用了中國碳衞星CO2觀測數據和歐洲哨兵衞星的二氧化氮（NO2）觀測數據，選取了我國唐山（2018年5月6日）和日本東京（2018年3月29日）兩個個例，定量計算了人為碳排放和NO2的相關性。計算結果和排放清單給出的結果一致，論證了通過聯合應用中國碳衞星和歐洲哨兵衞星的協同觀測，可以對CO2/ NO2排放比例進行定量監測。同時，這也標誌着我國已經具備空間監測人為活動碳排放的能力。

圖1. 中國碳衞星聯合哨兵衞星監測我國唐山地區人為排（2018年5月6日）放示意圖。左面顯示2018年5月6日唐山（中國）附近的TanSat X CO2觀測疊加了哨兵的NO2觀測。風場（ERA5）如箭頭所示。右圖（上圖和下圖分別）顯示了TanSat軌道上的XCO2和NO2觀測值。黑點表示運行平均值。橙色表示通過線性擬合從NO2對流層柱轉換的X CO2。

背景資料：中國碳衞星簡介

當前温室氣體減排的成效評估多依賴於清單方法，政府間氣候變化專門委員會（IPCC）制定了《2006年IPCC國家温室氣體清單指南》（下稱《指南》），要求各國清單須按照《指南》的方法要求編制。即便如此，國別清單的全球一致性、區域偏差、透明度等問題，依然無發避免。大氣CO2濃度觀測溯源排放的方法在偏差和透明度等方面具有優勢，因此2019年修訂版《指南》將該方法正式納入。在以大氣觀測的碳排放（碳匯）反演方法體系中，觀測數據尤為重要。而衞星因其觀測方式的特殊性，在大氣反演中佔據着不可替代的位置。

2009年，日本成功發射了國際上第一顆温室氣體專用探測衞星GOSAT；2014年，美國OCO-2發射升空。2016年12月22日，中國碳衞星從酒泉衞星發射基地順利發射升空並在軌運行，成為世界第三顆温室氣體衞星。中國碳衞星，全稱為“全球二氧化碳監測科學實驗衞星（TanSat）”，目標是實現全球大氣二氧化碳柱平均幹空氣混合比（XCO2，下文簡稱“濃度”）的高精度監測，為碳排放科學研究提供衞星資料。

中國碳衞星是一顆近極地太陽同步衞星。其上搭載了主載荷“高光譜分辨率大氣二氧化碳探測儀（ACDS）”和輔助載荷“雲和氣溶膠偏振成像儀（CAPI）”。其中，主載荷高光譜分辨率大氣二氧化碳探測儀，利用對地球反射的近紅外/短波紅外太陽輻射對大氣中二氧化碳的含量進行探測。

自從我國碳衞星升空後，經在軌測試和定標，第一版XCO2科學數據產品於2017年10月對全球發佈；第二版XCO2科學數據產品將精度提升至1.47ppm的國際先進水平精度；基於第二版科學產品，中國碳衞星獲得了全球CO2通量的數據產品。

2020年初科技部國家遙感中心與歐洲空間局簽署了温室氣體遙感監測合作協議，推動中國碳衞星加入歐洲空間局第三方衞星數據應用計劃，也表明中國碳衞星及其觀測數據開始逐步走向世界。本研究在該協議的支持下，聯合使用了中國碳衞星和歐洲哨兵衞星，進一步提升了中國碳衞星的監測能力。

未來工作：下一代碳監測衞星展望

中國碳衞星即將迎來發射6週年紀念。我國下一代碳衞星的論證設計工作已經開始，衞星的研製工作也即將啓動。新一代衞星將在秉承第一代衞星所具有的技術優勢基礎上，進一步提升探測能力，以應用需求與科學需求為出發點。目標測量將以城市為重點，以高定量、高時頻、高分辨探測XCO2從城市中心到郊區的梯度，以提高排放量估算的準確性。下一代碳衞星將是一個天基系統，希望每天可多次覆蓋一個城市或點源，同時將具備協同的NO2觀測能力，用於更好的對人為碳排放量進行獨立測算。