中國碳衛星

歷史背景

碳衛星全稱“全球二氧化碳監測科學實驗衛星”，是由中國自主研製的首顆全球大氣二氧化碳觀測科學實驗衛星。這顆衛星搭載了一體化設計的兩台科學載荷，分別是高光譜二氧化碳探測儀以及起輔助作用的多譜段雲與氣溶膠探測儀，由中國科學院長春光學精密機械與物理研究所（以下簡稱：中科院長春光機所）負責設計研製。

面對全球氣候變化，減少二氧化碳等溫室氣體的排放成為必然選擇。碳排放的量化監測是世界各國最終實現溫室氣體減排的重要技術基礎，在所有的碳排放量監測手段中，只有星載高光譜溫室氣體探測技術既能對二氧化碳等溫室氣體濃度進行高精度探測，又能獲取全球各區域的氣體濃度分佈數據。正因如此，各發達國家紛紛研發專用衛星。

為有效掌握全球二氧化碳分佈情況，中國“十二五”國家863計劃設置了“全球二氧化碳監測科學實驗衛星與應用示範”重大項目（簡稱“碳衛星”）。由於碳衛星技術難度極高，世界上僅有兩顆衛星從太空監視地球溫室氣體排放：2009年，日本發射了世界首顆溫室氣體觀測衛星（GOSAT）。同年，美國的碳衛星（OCO-1）首次發射失敗，後於2014年再次發射其替代者OCO-2。

研製進程

中國碳衛星是“十二五”期間，由科技部立項，中科院負責工程總體，中科院國家空間科學中心、中科院微小衛星創新研究院、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星氣象中心等多家單位共同承擔的科學實驗衛星計劃，

2010年，中華人民共和國科學技術部設立了“全球二氧化碳監測科學實驗衛星與應用示範”重大項目，計劃發射一顆搭載兩台有效載荷的碳衛星，並在中國範圍內公開招標。中科院長春光機所在兩台載荷的分開招標中競標成功。

2015年12月1日，科研人員在中科院長春光機所高光譜實驗室對“碳衛星”高光譜探測儀進行上電前狀態檢查。

2016年5月，碳衛星正式出廠，衛星搭載了一體化設計的兩台科學載荷，分別是高光譜二氧化碳探測儀以及起輔助作用的多譜段雲與氣溶膠探測儀。

總體設計

碳衛星以二氧化碳遙感監測為切入點，建立高光譜衛星地面數據處理與驗證系統，形成對全球、中國及其它重點地區二氧化碳濃度監測能力，從而使中國為應對全球氣候變化做出貢獻。

碳衛星運行於700千米太陽同步軌道，科學目標是獲取全球和區域二氧化碳分布圖，精度優於4ppm（百萬分之四），這一精度已達到高光譜大氣痕量氣體探測方面的國際先進水平。

性能參數

飛行任務

碳衛星的任務目標是實現全球大氣二氧化碳柱平均干空氣混合比（XCO2，下文簡稱“濃度”）的高精度監測，為碳排放科學研究提供衛星資料。

載荷設備

1、高光譜溫室氣體探測儀

碳衛星搭載了一台高空間解析度的高光譜溫室氣體探測儀，探測儀的工作原理，是在可見光和近紅外譜段，利用分子吸收譜線探測二氧化碳等溫室氣體濃度。高光譜二氧化碳探測儀設有3個通道，其中，在760納米的O2-A通道的光譜解析度最高可以達到0.04納米，能夠捕獲植被日光誘導葉綠素熒光對Fe（758納米）和KI（771納米）兩個太陽弗朗霍夫暗線的填充效應，從而不僅能對全球大氣中二氧化碳濃度進行動態監測，還能高精度反演植被葉綠素熒光。衛星尺度葉綠素熒光能夠精確估算全球植被光合生產力，結合同步反演的大氣二氧化碳濃度數據，二者協同將能夠極大提升全球碳源匯觀測能力。2、雲與氣溶膠偏振成像儀

碳衛星還搭載了一台多譜段的雲與氣溶膠偏振成像儀，成像儀可以測量雲、大氣顆粒物等輔助信息，為科學家精確反向推演二氧化碳濃度剔除干擾因素，還可以幫助氣象學家提高天氣預報的準確性，並為研究PM2.5等大氣污染成因提供重要數據支撐。

作為中國首顆碳衛星載荷，高光譜溫室氣體探測儀、雲與氣溶膠偏振成像儀為溫室氣體排放、碳核查等領域的研究提供基礎數據，為節能減排等宏觀決策提供數據支撐，增加了中國在國際碳排放方面的話語權。

發射入軌

2016年12月22日3時22分，中國在酒泉衛星發射中心用長征二號丁運載火箭成功將中國首顆全球二氧化碳監測科學實驗衛星發射升空。

2017年1月12日，碳衛星入軌后成功開機；同月13日，碳衛星轉入在軌觀測任務模式並獲取首批觀測數據，成為繼日本GOSAT和美國OCO-2后，國際上第三顆具有高精度溫室氣體探測能力的衛星。

2017年8月31日，經過8個月的在軌測試，碳衛星正式在軌交付運營。

2017年10月24日開始，碳衛星（全球二氧化碳監測科學實驗衛星）數據正式對外開放共享。社會公眾可登錄中國國家衛星氣象中心網站免費進行數據檢索和下載，標誌著繼美國、日本之後，中國成為第三個可以提供碳衛星數據的國家。

2018年2月，中國科學院大氣物理研究所（簡稱：中科院大氣所）通過地球觀測組織（GEO）年度大會，展示了中國碳衛星觀測的首幅全球二氧化碳分布圖，表明中國碳衛星將為氣候變化的研究提供數據支撐。該成果受到與會的美國航天局（NASA）、日本航天局（JAXA）和歐洲空間局（ESA）等國外研究機構代表的高度關注。

2018年2月23日，中國科學院測量與地球物理研究所研究員劉良雲團隊利用中國發射的碳衛星數據，開展了全球植被葉綠素熒光衛星反演研究，成功獲得了2017年下半年的全球葉綠素熒光產品。

● 獲取觀測數據

碳衛星每天繞地球飛行約14圈，探測寬度20千米。在繞地球兩極運行的過程中獲取全球二氧化碳濃度信息，以準確展示人類活動與自然體系是如何排放和吸收這種溫室氣體的。

碳衛星轉入在軌觀測任務模式，包括碳衛星高光譜二氧化碳監測儀獲取、經過地面處理生成的碳衛星第一組大氣氧氣和二氧化碳吸收光譜圖。這也是中國從太空獲取的第一組大氣氧氣和二氧化碳吸收高解析度光譜圖。

● 首幅全球二氧化碳分布圖

碳衛星的觀測數據供中科院大氣所承擔中國碳衛星二氧化碳濃度反演演演算法研發、碳源匯同化系統研發和衛星數據的科學應用等工作。其中衛星遙感大氣二氧化碳的主要挑戰是精度要求高，干擾因素多，反演難度大。在國家高技術研究發展計劃（863）“中國碳衛星”和中科院戰略性科技先導專項“碳專項”等的資助下，大氣所團隊核心成員、博士楊東旭研發了衛星遙感反演演演算法（InstituteofAtmosphericPhysicsCarbondioxideretrievalAlgorithmforSatelliteobservation-IAPCAS）。利用該反演演演算法解析中國碳衛星觀測數據，獲得了首幅全球二氧化碳分布圖。在2017年4月分布圖中，可以看出春季由於人為排放形成的北半球二氧化碳濃度高、南半球濃度低的特徵；對比2017年4月和2017年7月分布圖，清晰地顯示出由春入夏北半球二氧化碳濃度降低的趨勢，表明了生態系統隨季節變化的“固碳”作用；分布圖也反映出人類活動頻繁地區二氧化碳濃度高的現象。

● 數據產品

中國碳衛星數據開放，社會公眾用戶登錄國家衛星氣象中心網站后，可檢索下載包括碳衛星的兩個核心儀器數據，即碳衛星高光譜溫室氣體探測儀（HSCO2）雲和氣溶膠探測儀（CAPI）兩台儀器的1級數據。

碳衛星的研製與發射意義重大，解決了中國空間二氧化碳觀測從無到有的問題，奠定了未來對二氧化碳空間觀測的基礎，提供了多部門協同創新工作的新模式。碳衛星的首批觀測數據的獲得表明碳衛星與地面應用系統均運行良好。衛星平台按指令準確實現了各種複雜指向模式，主載荷高光譜探測儀工作穩定、功能正常、狀態良好，為後續科學家開展大氣二氧化碳高精度反演打下了堅實基礎。

碳衛星作為中國自主研製的首顆全球大氣二氧化碳監測科學實驗衛星，搭載了一體化設計的兩台科學載荷，在中國國內首次實現了機動敏捷的星地一體化多模式衛星平台、星載高光譜二氧化碳探測技術、多譜段雲與氣溶膠偏振探測技術。其中，高光譜定標和高輻射測量精度的全球二氧化碳探測儀填補了中國天基高光譜溫室氣體測量的空白，研製難度高、技術複雜，綜合技術性能達到國際先進水平，部分指標達到國際領先水平。

中國發射的碳衛星通過地面數據接收、處理與驗證系統，定期獲取全球二氧化碳分布圖，使中國在大氣二氧化碳監測方面躋身國際前列。（中國科學院、中國氣象局評）