碳衛(wèi)星：“把脈”全球大氣治理

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(gè)縮小版的全球二氧化碳監(jiān)測(cè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（以下簡(jiǎn)稱碳衛(wèi)星）模型。別看它身形小，卻承擔(dān)著監(jiān)測(cè)全球二氧化碳濃度分布的“大”使命。

 

從國(guó)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(guó)首顆、全球第三顆碳衛(wèi)星，它實(shí)現(xiàn)了我國(guó)在空間溫室氣體高精度監(jiān)測(cè)的從無(wú)到有，為應(yīng)對(duì)全球氣候變化貢獻(xiàn)了科技力量。

 

今年7月，劉毅團(tuán)隊(duì)獲取了中國(guó)碳衛(wèi)星首個(gè)全球碳通量數(shù)據(jù)集和地圖，這標(biāo)志著我國(guó)具備了全球碳收支的空間定量監(jiān)測(cè)能力，是繼日本、美國(guó)之后的第三個(gè)具備該技術(shù)的國(guó)家。

 

精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)碳排放

 

今年11月，在聯(lián)合國(guó)氣候變化公約第26次締約方大會(huì)閉幕之時(shí)，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?yàn)?zāi)難性氣候事件發(fā)生頻率大幅上升。

 

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

 

為了提升我國(guó)在氣候變化談判等問(wèn)題上的國(guó)際話語(yǔ)權(quán)，建立和完善溫室氣體排放統(tǒng)計(jì)制度，2011年，在“863”計(jì)劃的支持下，“全球二氧化碳監(jiān)測(cè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星與應(yīng)用示范”重大項(xiàng)目（中國(guó)碳衛(wèi)星）正式立項(xiàng)。

 

這是一項(xiàng)多部門(mén)合作的任務(wù)，中科院負(fù)責(zé)工程總體，中科院國(guó)家空間科學(xué)中心、中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、中科院大氣物理研究所和中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心等多家單位共同承擔(dān)了科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星計(jì)劃。

 

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

 

劉毅表示，碳衛(wèi)星目標(biāo)是實(shí)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(cè)，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(guó)家需求就是科技攻關(guān)的方向，劉毅帶著中科院大氣物理所副研究員楊東旭等團(tuán)隊(duì)中的年輕人，全身心投入到工作中。

 

“我們從科學(xué)問(wèn)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(gè)IAPCAS的研發(fā)過(guò)程。當(dāng)時(shí)楊東旭的博士論文還在做氣溶膠相關(guān)課題，碳衛(wèi)星的需求也讓他轉(zhuǎn)向了這個(gè)新的領(lǐng)域。”劉毅說(shuō)。

 

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(yáng)輻射在大氣中的傳輸過(guò)程，充分優(yōu)化氣溶膠光學(xué)性質(zhì)隨波長(zhǎng)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(jì)算效率。

 

為全球氣候提供科學(xué)依據(jù)

 

研制碳衛(wèi)星絕非孤軍作戰(zhàn)，不僅實(shí)現(xiàn)了多個(gè)部門(mén)的密切配合，也實(shí)現(xiàn)了“863”計(jì)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(wàn)眾矚目的碳衛(wèi)星終于迎來(lái)了升空的時(shí)刻，這也是劉毅第一次在現(xiàn)場(chǎng)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(guó)的碳衛(wèi)星絕不是簡(jiǎn)單的copy，有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。”劉毅說(shuō)。

 

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

 

劉毅回憶，當(dāng)時(shí)人手緊張、時(shí)間也緊迫，團(tuán)隊(duì)成員的日子都是按“小時(shí)”計(jì)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(dá)到了2.11 ppm。成果一經(jīng)發(fā)布，受到與會(huì)的美國(guó)航天局、日本宇航研發(fā)機(jī)構(gòu)和歐洲空間局等國(guó)外研究機(jī)構(gòu)代表的高度關(guān)注。

 

隨著時(shí)間推移，更多的成果接踵而至。2020年，劉毅團(tuán)隊(duì)改進(jìn)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(guó)際先進(jìn)水平，同時(shí)首次利用物理算法反演獲得了陸地生態(tài)系統(tǒng)太陽(yáng)誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒鈹?shù)據(jù)產(chǎn)品，2021年計(jì)算獲取了中國(guó)碳衛(wèi)星首個(gè)全球碳通量數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

 

“全鏈路的思想起到了關(guān)鍵作用。”劉毅說(shuō)，“我們的工作壓力大，也要感謝團(tuán)隊(duì)里可愛(ài)的年輕人，希望他們能夠盡快成長(zhǎng)，[R1] 承擔(dān)更多的國(guó)家級(jí)任務(wù)，研究出更多創(chuàng)新性成果。”

 

走向開(kāi)放共享

 

碳衛(wèi)星的底色是合作和開(kāi)放，2017年我國(guó)碳衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品對(duì)全球用戶免費(fèi)開(kāi)放，中國(guó)成為繼日本、美國(guó)之后，第三個(gè)可以提供碳衛(wèi)星數(shù)據(jù)的國(guó)家。

 

“但是，更大的挑戰(zhàn)在于如何用好衛(wèi)星遙感這一探測(cè)手段，服務(wù)全球盤(pán)點(diǎn)和我國(guó)雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。”劉毅說(shuō)。

 

要實(shí)現(xiàn)全球統(tǒng)一、無(wú)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(mén)委員會(huì)（IPCC）制定的《2006年IPCC國(guó)家溫室氣體清單指南》，各國(guó)清單須按照其方法進(jìn)行編制；2019年IPCC對(duì)清單指南進(jìn)行了補(bǔ)充修訂，增加了利用大氣觀測(cè)支撐清單編制與驗(yàn)證，這就為我國(guó)發(fā)展新一代溫室氣體監(jiān)測(cè)衛(wèi)星提出更為迫切需求。

 

“國(guó)別清單的誤差、偏差、透明度等問(wèn)題依然無(wú)法避免，因此在研發(fā)衛(wèi)星同時(shí)，更要按照科學(xué)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(gè)國(guó)家共同努力、合作共贏。”劉毅說(shuō)。

 

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

 

大氣二氧化碳是導(dǎo)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(gè)圈層的相互聯(lián)系，科學(xué)利用觀測(cè)和模型剖析二氧化碳在這些圈層間的循環(huán)是制定前進(jìn)方向的必經(jīng)之路。

 

目前，新一代碳衛(wèi)星的設(shè)計(jì)與研發(fā)已經(jīng)提上日程，劉毅表示，未來(lái)將面向我國(guó)雙碳目標(biāo)的監(jiān)測(cè)需求、國(guó)際社會(huì)的盤(pán)點(diǎn)需求，助力人類命運(yùn)共同體實(shí)現(xiàn)“碳中和”。