[科普中国]-全球共享“碳”踪影

我国在去年发射了首颗用于监测全球大气二氧化碳含量的科学实验卫星。 （资料图片）

“中国新一代静止轨道气象卫星‘风云四号’和首颗全球二氧化碳监测科学实验卫星（简称碳卫星）的数据产品将对全球用户免费开放！”在日前举行的地球观测组织（GEO）第14届全会“中国日”活动上，中国代表宣布了这一重大消息

这一消息发布当日，碳卫星数据产品率先正式开放共享。至此，中国成为继日本、美国之后，第3个可以提供碳卫星数据的国家。未来，汇集约140天的数据可制作一张无缝隙全球覆盖的二氧化碳监测图。这颗碳卫星将对充分了解全球碳循环过程及其对全球气候变化的影响，发挥重要作用。

“碳”测图无缝隙全球覆盖

可获取覆盖全球的二氧化碳监测数据

主流气候学家认为，人类活动排放的二氧化碳是导致近200年间大气二氧化碳浓度急剧上升和全球变暖的主要推手。

在此基础之上，学界一直围绕两点进行研究：一方面，如果二氧化碳浓度持续上升，温度会不会也随之持续上升？气候系统对二氧化碳的变化有着怎样的反馈机制？另一方面，也是更为关键的碳源汇问题——每年自然和人为分别向大气中排放了多少二氧化碳？地球系统又能够消化吸收其中的多少？

不难想到，准确、实时掌握全球大气中二氧化碳的浓度变化对指导人类减缓和适应气候更替将发挥至关重要的作用。碳卫星在一定程度上为这个问题提供了解决方案，它可以获取覆盖全球的二氧化碳监测数据。

目前，碳卫星数据每天更新。用户可以按照日期和区域定制下载碳卫星的全球数据。那么，它一天的覆盖观测范围有多大呢？碳卫星地面应用系统总指挥、国家卫星气象中心副主任张鹏介绍，碳卫星是一颗标准的近极地太阳同步卫星，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圈到15圈。碳卫星上的全球二氧化碳监测仪每轨可以收集到轨道东西向20公里范围内的地球大气高光谱分辨率信息。如此算下来，碳卫星一天所获数据能够覆盖约300公里的区域。

地球赤道的周长约4万公里，从理论上说，如果拿到140天左右、2000条轨道的观测数据，就能获取一张无缝隙全球覆盖的二氧化碳监测图。需要注意的是，在卫星行进途中，遇到云层遮挡时，无法获取大气二氧化碳信息，会留有大片数据空缺的区域。“根据美国同类卫星OCO-2的经验，一般积累半年观测资料，能获得一组全球覆盖相对完整的数据；积累一年观测资料，通过不断重复观测把缝隙、云缺观测数据填充上，才能提供一套完整的全球二氧化碳监测数据。”张鹏说。

对于此次中国碳卫星数据向国际开放，中方专家团队还有一个期待：如果中、美、日3家碳卫星数据能形成互补关系，或许将可以在一定程度上解决完整数据获取周期长的问题。

数据“生产线”层层对接

确保全球二氧化碳碳源汇分布数据质量

想要将碳卫星的全球观测资料完整无误地接收下来，还需要卫星和地面接收站的强强联手，汇集到位于北京的资料处理中心。由于碳卫星为全球运行，国家卫星气象中心依托“风云”极轨卫星的地面接收站网布局，使用一个极区高纬度站（瑞典基律纳站）和两个国内站（乌鲁木齐站和佳木斯站）组合接收碳卫星的全球资料。特别是在基律纳站的帮助下，可以确保碳卫星每一轨资料都能当天及时传回地面，保证了观测资料“不在卫星上过夜”。作为碳卫星地面应用系统的总指挥，张鹏对这一点非常自豪。

数据接收还只是碳卫星数据“生产线”的开始，要向用户提供可以使用的科学数据，还要经历数据预处理和产品定量反演等科技含量极高的工作。

卫星接收的是原始观测资料，无法直接被科学家使用。所以，首先需要对碳卫星的原始观测资料进行加工预处理，它的主要环节包括定位、辐射定标和光谱定标，科学家需要深入了解遥感仪器的工作原理和星上设计，技术难度极高。

张鹏介绍，定位就是看资料位于哪里。定标分成两个方面，因为要识别大气中二氧化碳吸收的谱线很窄，辐射定量化精度极高，光谱分辨率极高，技术挑战非常大。比如光谱分辨率，需要在1纳米的范围内设计10个到30个探测通道，对这些通道的数据标定出精准的波长。之后，原始数据就会“变身”光学信号，也就成为具有科学意义的一级数据。而这背后正是科学家们多年的联合攻关，才啃下了这块有着很高技术难度的“硬骨头”。

碳卫星数据“生产线”到这里，就能提供给科学家由其反演二氧化碳浓度“化身”而来的二级数据；再与相关模式结合，得到全球二氧化碳碳源汇的分布。

与此同时，只有从源头保障一级数据正确，才能确保二氧化碳浓度反演正确。张鹏说，在轨测试的这半年中，他们找到了碳卫星与美国OCO-2观测条件、观测轨道、观测区域完全一样的一轨，认真比对后发现，两颗卫星观测资料的一致性非常好。“这说明，在数据质量这一块，我们的碳卫星与美国的OCO-2同属一个量级。”

为大气治理提供科学依据

将对指导人类减缓和适应气候更替发挥重要作用

2009年，日本成功发射了全球首颗碳卫星GOSAT；2014年，美国航空航天局（NASA）成功发射了OCO-2。从实践来看，二氧化碳观测卫星对于气候变化研究具有重大推动作用。

以美国为例，今年10月，NASA刘俊杰团队通过分析两年多来的OCO-2数据后发现，受厄尔尼诺现象影响，某些热带地区比平时释放更多二氧化碳。这项研究解释了“这些年来，人类活动的排放量大致相同，全球新增二氧化碳从哪里来的”这个重要科学问题。

随着中国碳卫星数据的开放共享，全球3颗二氧化碳观测卫星在轨，将给人类二氧化碳排放量监测和全球碳循环研究带来更多可能。比如，科学家将能够更好地观察到高排放地区二氧化碳浓度升高，甚至个别发电厂和工业中的泄漏。另外，通过将遥感技术与大气、海洋和陆地的计算机模型相结合，科学家或将能够把碳排放中的人类影响与自然过程分开。

当前，我国科学家对于碳卫星的数据需求可谓非常迫切。此前，中科院开展碳循环模式研究的多名科学家已经开始引入日本、美国碳卫星的二级资料。对于此次碳卫星数据全球开放共享，中科院、中国气象局、国内高校相关领域的科学家都高度关注。

具体到碳卫星数据的应用前景，张鹏介绍，碳卫星数据可以为我国未来大气治理工作提供科学依据，为IPCC第六次报告提供中国国内自主观测数据，也可以提供给国家气候中心用作全球气候变化模拟基础数据。另外，这些数据也是目前生态植被研究中非常需要的。

张鹏表示，目前已开放的是碳卫星一级资料，资深用户已经可以用来反演二氧化碳信息。“我们正在不断测试碳卫星的算法和产品，下一步，会推出应用更为广泛的二级数据，做出真正的全球二氧化碳分布图，为应对全球气候变化作出中国贡献。”张鹏说。

二级产品即二氧化碳反演技术，技术难度极高。目前，国家卫星气象中心正在联合中科院和有关高校的专家攻关，希望在不久的将来能够为用户提供稳定可靠的二级产品。

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