碳衛(wèi)星：“把脈”全球大氣治理

文章來源:中國科學報高雅麗2021-12-09 09:19

在中科院大氣物理研究所研究員劉毅的辦公室中，放著一個縮小版的全球二氧化碳監(jiān)測科學實驗衛(wèi)星（以下簡稱碳衛(wèi)星）模型。別看它身形小，卻承擔著監(jiān)測全球二氧化碳濃度分布的“大”使命。

從國外專家口中的“impossible”到2016年成功發(fā)射，碳衛(wèi)星已經(jīng)在太空中工作了5年多。作為我國首顆、全球第三顆碳衛(wèi)星，它實現(xiàn)了我國在空間溫室氣體高精度監(jiān)測的從無到有，為應對全球氣候變化貢獻了科技力量。

今年7月，劉毅團隊獲取了中國碳衛(wèi)星首個全球碳通量數(shù)據(jù)集和地圖，這標志著我國具備了全球碳收支的空間定量監(jiān)測能力，是繼日本、美國之后的第三個具備該技術的國家。

精準監(jiān)測碳排放

今年11月，在聯(lián)合國氣候變化公約第26次締約方大會閉幕之時，多方代表簽署了《格拉斯哥氣候公約》，努力將全球升溫控制在1.5攝氏度，以防止全球災難性氣候事件發(fā)生頻率大幅上升。

溫室氣體排放導致全球氣候變化已經(jīng)成為國際社會共識，在節(jié)能減排刻不容緩的形勢下，為了達到《巴厘路線圖》的“可測量、可報告、可核查”量化減排目標，世界各國政府都迫切希望能有切實可行的測量方法和技術。2009年，日本成功發(fā)射了全球首顆碳衛(wèi)星GOSAT；2014年，美國航空航天局（NASA）成功發(fā)射了OCO-2。

為了提升我國在氣候變化談判等問題上的國際話語權，建立和完善溫室氣體排放統(tǒng)計制度，2011年，在“863”計劃的支持下，“全球二氧化碳監(jiān)測科學實驗衛(wèi)星與應用示范”重大項目（中國碳衛(wèi)星）正式立項。

這是一項多部門合作的任務，中科院負責工程總體，中科院國家空間科學中心、中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、中科院長春光學精密機械與物理研究所、中科院大氣物理研究所和中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心等多家單位共同承擔了科學實驗衛(wèi)星計劃。

在碳衛(wèi)星的研發(fā)過程中，非常重要的一環(huán)就是建立溫室氣體衛(wèi)星觀測的模擬和反演系統(tǒng)（IAPCAS），將衛(wèi)星的原始觀測資料“翻譯”成可供科學家使用的數(shù)據(jù)。

劉毅表示，碳衛(wèi)星目標是實現(xiàn)全球大氣二氧化碳柱平均干空氣混合比（XCO2）的高精度監(jiān)測，而衛(wèi)星遙感大氣二氧化碳面臨的主要挑戰(zhàn)是精度要求高、干擾因素多、反演難度大。

國家需求就是科技攻關的方向，劉毅帶著中科院大氣物理所副研究員楊東旭等團隊中的年輕人，全身心投入到工作中。

“我們從科學問題倒推碳衛(wèi)星需要什么樣的反演系統(tǒng)，全鏈路的思想貫穿了整個IAPCAS的研發(fā)過程。當時楊東旭的博士論文還在做氣溶膠相關課題，碳衛(wèi)星的需求也讓他轉(zhuǎn)向了這個新的領域。”劉毅說。

最終，楊東旭研發(fā)了衛(wèi)星遙感反演算法，高精度模擬太陽輻射在大氣中的傳輸過程，充分優(yōu)化氣溶膠光學性質(zhì)隨波長的變化以及卷云的連續(xù)吸收等特征，顯著降低誤差，提高反演精度，還能大幅提高計算效率。

為全球氣候提供科學依據(jù)

研制碳衛(wèi)星絕非孤軍作戰(zhàn)，不僅實現(xiàn)了多個部門的密切配合，也實現(xiàn)了“863”計劃管理模式和航天工程管理模式的融合。2016年12月22日凌晨，萬眾矚目的碳衛(wèi)星終于迎來了升空的時刻，這也是劉毅第一次在現(xiàn)場看衛(wèi)星發(fā)射。

“凌晨的酒泉很冷，可我們心里熱乎乎的，我國的碳衛(wèi)星絕不是簡單的copy，有自主知識產(chǎn)權。”劉毅說。

在衛(wèi)星完成在軌測試后，劉毅團隊要利用反演算法解析觀測數(shù)據(jù)，從而獲得全球二氧化碳分布圖。2017年的地球觀測組織（GEO）年度大會即將舉辦，大家都希望能在會上公布碳衛(wèi)星的“首秀”成果。

劉毅回憶，當時人手緊張、時間也緊迫，團隊成員的日子都是按“小時”計算，終于在2017年9月底拿出了首幅全球二氧化碳分布圖，平均精度達到了2.11 ppm。成果一經(jīng)發(fā)布，受到與會的美國航天局、日本宇航研發(fā)機構(gòu)和歐洲空間局等國外研究機構(gòu)代表的高度關注。

隨著時間推移，更多的成果接踵而至。2020年，劉毅團隊改進了數(shù)據(jù)質(zhì)量和反演算法，將數(shù)據(jù)精度提升到1.5ppm的國際先進水平，同時首次利用物理算法反演獲得了陸地生態(tài)系統(tǒng)太陽誘導葉綠素熒光數(shù)據(jù)產(chǎn)品，2021年計算獲取了中國碳衛(wèi)星首個全球碳通量數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

“全鏈路的思想起到了關鍵作用。”劉毅說，“我們的工作壓力大，也要感謝團隊里可愛的年輕人，希望他們能夠盡快成長，[R1] 承擔更多的國家級任務，研究出更多創(chuàng)新性成果。”

走向開放共享

碳衛(wèi)星的底色是合作和開放，2017年我國碳衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品對全球用戶免費開放，中國成為繼日本、美國之后，第三個可以提供碳衛(wèi)星數(shù)據(jù)的國家。

“但是，更大的挑戰(zhàn)在于如何用好衛(wèi)星遙感這一探測手段，服務全球盤點和我國雙碳目標的實現(xiàn)。”劉毅說。

要實現(xiàn)全球統(tǒng)一、無偏差的碳收支核算，僅僅有目前的三顆衛(wèi)星是不夠的。根據(jù)政府間氣候變化專門委員會（IPCC）制定的《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》，各國清單須按照其方法進行編制；2019年IPCC對清單指南進行了補充修訂，增加了利用大氣觀測支撐清單編制與驗證，這就為我國發(fā)展新一代溫室氣體監(jiān)測衛(wèi)星提出更為迫切需求。

“國別清單的誤差、偏差、透明度等問題依然無法避免，因此在研發(fā)衛(wèi)星同時，更要按照科學規(guī)律使用好衛(wèi)星數(shù)據(jù)，碳中和不是零和博弈，需要全世界各個國家共同努力、合作共贏。”劉毅說。

當前，歐洲也已經(jīng)將碳衛(wèi)星列入計劃，“我們希望通過這顆衛(wèi)星和美國、日本等其他國家合作形成碳衛(wèi)星‘虛擬星座’，聯(lián)合觀測大氣二氧化碳，為全球氣候變化提供更加豐富的監(jiān)測數(shù)據(jù)。”

大氣二氧化碳是導致氣候變化的主因之一，其增與減涉及大氣圈、生態(tài)圈、巖石圈、海洋圈、人類圈等多個圈層的相互聯(lián)系，科學利用觀測和模型剖析二氧化碳在這些圈層間的循環(huán)是制定前進方向的必經(jīng)之路。

目前，新一代碳衛(wèi)星的設計與研發(fā)已經(jīng)提上日程，劉毅表示，未來將面向我國雙碳目標的監(jiān)測需求、國際社會的盤點需求，助力人類命運共同體實現(xiàn)“碳中和”。