我国碳卫星实现城市二氧化碳排放定量监测

2022-10-26

据中国科学院大气物理研究所网站10月25日消息，中国科学院大气物理研究所中国碳卫星研究团队联合芬兰气象研究所团队首次利用中国碳卫星（TanSat）观测定量识别和计算城市碳排放，**证实了中国碳卫星具有城市级别碳排放监测的能力。**在温室气体遥感监测合作协议支持下，本研究联合使用了欧洲哨兵卫星（Sentinel-5P）的二氧化氮（NO2）观测。研究结果于10月25日在线发表在SCI期刊《大气科学进展》上。

研究结果：污碳协同的城市排放观测

应对或减缓全球变暖，是人类在21世纪面临的挑战。由于化石燃料燃烧和土地利用变化等人为活动，二氧化碳（CO2）浓度增加了40%以上。与化石燃料使用有关的排放尤其局限于当地，城市地区是全球CO2排放量的主要贡献者，占全球排放量70%以上。尽管新冠肺炎疫情对全球经济体造成了较大的影响，但化石燃料CO2排放量2021年仍然增加了5%。与此同时，我们在计算人为排放方面仍然存在较大的不确定性。

利用碳监测卫星进行全球人为排放的监测更具优越性。碳监测卫星直接观测大气CO2浓度，仅凭单一CO2要素的观测，定量区分CO2浓度变化源来自于人为排放还是自然过程是一个难点问题。化石燃料燃烧为CO2人为排放之主要来源，而石油等化石燃料的燃烧伴随排放二氧化氮（NO2），即人为排放CO2和NO2具有较强的同源性，因此，理论上通过NO2和CO2的同步监测，就可以有效地计算对人为碳排放。本研究联合应用了中国碳卫星CO2观测数据和欧洲哨兵卫星的二氧化氮（NO2）观测数据，选取了我国唐山（2018年5月6日）和日本东京（2018年3月29日）两个个例，定量计算了人为碳排放和NO2的相关性。计算结果和排放清单给出的结果一致，论证了通过联合应用中国碳卫星和欧洲哨兵卫星的协同观测，可以对CO2/ NO2排放比例进行定量监测。同时，这也标志着我国已经具备空间监测人为活动碳排放的能力。

图1. 中国碳卫星联合哨兵卫星监测我国唐山地区人为排（2018年5月6日）放示意图。左面显示2018年5月6日唐山（中国）附近的TanSat X CO2观测叠加了哨兵的NO2观测。风场（ERA5）如箭头所示。右图（上图和下图分别）显示了TanSat轨道上的XCO2和NO2观测值。黑点表示运行平均值。橙色表示通过线性拟合从NO2对流层柱转换的X CO2。

背景资料：中国碳卫星简介

当前温室气体减排的成效评估多依赖于清单方法，政府间气候变化专门委员会（IPCC）制定了《2006年IPCC国家温室气体清单指南》（下称《指南》），要求各国清单须按照《指南》的方法要求编制。即便如此，国别清单的全球一致性、区域偏差、透明度等问题，依然无发避免。大气CO2浓度观测溯源排放的方法在偏差和透明度等方面具有优势，因此2019年修订版《指南》将该方法正式纳入。在以大气观测的碳排放（碳汇）反演方法体系中，观测数据尤为重要。而卫星因其观测方式的特殊性，在大气反演中占据着不可替代的位置。

2009年，日本成功发射了国际上第一颗温室气体专用探测卫星GOSAT；2014年，美国OCO-2发射升空。2016年12月22日，中国碳卫星从酒泉卫星发射基地顺利发射升空并在轨运行，成为世界第三颗温室气体卫星。中国碳卫星，全称为“全球二氧化碳监测科学实验卫星（TanSat）”，目标是实现全球大气二氧化碳柱平均干空气混合比（XCO2，下文简称“浓度”）的高精度监测，为碳排放科学研究提供卫星资料。

中国碳卫星是一颗近极地太阳同步卫星。其上搭载了主载荷“高光谱分辨率大气二氧化碳探测仪（ACDS）”和辅助载荷“云和气溶胶偏振成像仪（CAPI）”。其中，主载荷高光谱分辨率大气二氧化碳探测仪，利用对地球反射的近红外/短波红外太阳辐射对大气中二氧化碳的含量进行探测。

自从我国碳卫星升空后，经在轨测试和定标，第一版XCO2科学数据产品于2017年10月对全球发布；第二版XCO2科学数据产品将精度提升至1.47ppm的国际先进水平精度；基于第二版科学产品，中国碳卫星获得了全球CO2通量的数据产品。

2020年初科技部国家遥感中心与欧洲空间局签署了温室气体遥感监测合作协议，推动中国碳卫星加入欧洲空间局第三方卫星数据应用计划，也表明中国碳卫星及其观测数据开始逐步走向世界。本研究在该协议的支持下，联合使用了中国碳卫星和欧洲哨兵卫星，进一步提升了中国碳卫星的监测能力。

未来工作：下一代碳监测卫星展望

中国碳卫星即将迎来发射6周年纪念。我国下一代碳卫星的论证设计工作已经开始，卫星的研制工作也即将启动。新一代卫星将在秉承第一代卫星所具有的技术优势基础上，进一步提升探测能力，以应用需求与科学需求为出发点。目标测量将以城市为重点，以高定量、高时频、高分辨探测XCO2从城市中心到郊区的梯度，以提高排放量估算的准确性。下一代碳卫星将是一个天基系统，希望每天可多次覆盖一个城市或点源，同时将具备协同的NO2观测能力，用于更好的对人为碳排放量进行独立测算。