中国科学家为下一代碳卫星研制新系统 成功区分碳汇和人为碳排放

中新网北京9月11日电 (记者 孙自法)记者9月11日从中国科学院大气物理研究所(大气所)获悉，中国科学家团队提出并研制的面向中国下一代碳卫星(TanSat-2)碳监测、核算的新方法、新系统，在仿真观测中，成功实现碳汇和人为碳排放的区分核算。

中国下一代碳卫星的二氧化碳和太阳诱导叶绿素荧光协同观测以区分人为和生态碳收支示意图。研究团队 供图

这一被形象称为给碳卫星装上“放大镜”、助力地球碳账本收支精准核算的科研成果论文，由中国科学院大气所联合中国科学院微小卫星创新研究院以及英国爱丁堡大学等中外合作者共同完成，近日在专业学术期刊《大气科学进展》发表。

碳卫星“放大镜”看清碳账本

论文第一作者、中国科学院大气物理研究所杨东旭研究员介绍说，如果把地球想象成一本巨大的碳账本，人类排放是“支出”，海洋和陆地生态系统吸收是“收入”。碳的这笔帐发生在广阔陆地、海洋和大气之间，既看不见，也很难逐地、逐时精确核算，卫星遥感为其解决提供了新的可能。

然而，过去的碳卫星已能从太空观测大气柱二氧化碳浓度，利用大气输送模拟，推测这种变化来自哪里，但仅凭大气中二氧化碳浓度的变化，就像只看到“账户余额变了”，却不容易分清变化来自化石燃料燃烧，还是来自植物生长、呼吸和生态系统交换。这正是中国下一代碳卫星的核心目标任务之一：让碳账本不仅更大范围地被看到，还能被更清楚地拆分，需要装上“放大镜”看清碳账本的细节。

作为面向下一代全球碳监测需求设计的全新卫星体系，中国下一代碳卫星的设计基于地球系统科学碳循环的机理开展，拟搭载高光谱光栅光谱仪，观测二氧化碳、甲烷等温室气体，同时开展太阳诱导叶绿素荧光的观测，具备约1000千米瞬时视场和3000千米横向摆扫能力，具有更高的空间和时间采样密度，也更有机会减少云、气溶胶和低太阳高度角造成的观测空缺。

中国下一代碳卫星模拟器仿真的大幅宽情景下的5天观测覆盖示意图。研究团队 供图

杨东旭指出，本项研究把两类互补线索放进同一个反演框架：一类是大气二氧化碳浓度，反映地表碳交换在空气中留下的综合信号；另一类是太阳诱导叶绿素荧光，它是植物进行光合作用时发出的微弱“荧光信号”，可帮助识别陆地生态系统的生产力。

通俗而言，二氧化碳像是大气里留下的“总账变化”，太阳诱导叶绿素荧光则更像植物正在工作的“现场提示”。把两类观测结合在一起，就能更有效地区分自然碳汇与人为化石燃料排放。

“虚拟地球”开展模拟测试

中国下一代碳卫星还未真正上天之前，科学家如何评估它将来能带来多大改进？杨东旭说，为高保真地测试卫星，研究团队通过自主研发的碳卫星观测轨道模拟器，综合考虑大气条件、地表特征等多种影响因素，尽可能真实模拟卫星在太空中的观测过程和观测数据。

随后，研究团队采用观测系统模拟实验开展卫星观测“任务彩排”：首先设定一个已知答案的虚拟碳循环世界，再模拟中国下一代碳卫星可能观测到的大气柱二氧化碳浓度和太阳诱导叶绿素荧光数据，最后检验反演系统能否从这些观测中准确“找回”预先设定的碳排放和碳汇。

模拟结果显示，在理想的低偏差条件下，中国下一代碳卫星的二氧化碳与太阳诱导叶绿素荧光协同观测能够显著提升净初级生产力和化石燃料燃烧排放反演能力，并对复杂植被区和人为排放区都具有明显约束潜力。

该研究也给出“大幅宽不是万能钥匙”的重要提醒称，当观测数据存在系统性偏差时，更多数据也可能把偏差一起带进反演系统，因此，未来碳卫星不仅要“扫得宽”，还必须“量得准”。

研究团队认为，全球减排和碳中和目标需要可信的监测、报告与核查体系，也就是常说的可测量、可监测、可报告和可核查。如果能从太空持续获得大幅宽、广覆盖、高精度的二氧化碳、太阳诱导叶绿素荧光以及相关辅助观测，科学家就能更独立地评估不同区域的碳排放变化和生态系统吸收能力。

卫星观测降低生态和人为排放等碳源汇的误差示意图。研究团队 供图

杨东旭表示，本项研究还为中国下一代碳卫星及未来二氧化碳卫星任务设计提供了一个可量化的评估框架——在幅宽、精度、偏差和反演效果之间找到更合理的平衡点。

他强调，中国下一代碳卫星是地球碳账本上的一支重要“太空笔”，但卫星并不能独自完成所有碳监测任务，云、气溶胶和污染条件会造成观测空缺，复杂地表也会引入不确定性，因此，可靠的全球和区域碳通量监测，需要卫星、地基、航空和原位观测共同支撑。