全球二氧化碳监测科学实验卫星系统技术｜上海市科学技术奖

2022年度上海市科学技术奖

强国复兴有我

优秀创新成果展示

今年5月，科技蓝闪耀上海。期间，暌违两年的上海市科学技术奖于5月26日在上海展览中心再度揭晓。胸怀“国之大者”，坚持“四个面向”，一大批标志性成果竞相涌现，为正处于关键跃升期的上海国际科技创新中心建设增添底色和亮度。

2022年度上海市科学技术一等奖获奖项目优秀创新成果来啦！本栏目以“强国复兴有我”为主题，重点围绕项目要解决的问题、取得的重要创新、实际应用效果等方面，向社会公众展示获奖成果。

本期“档案”大揭秘

项目名称：全球二氧化碳监测科学实验卫星系统技术

完成单位：上海微小卫星工程中心 等

完 成 人：尹增山 等

奖励等级：科技进步奖一等奖

气候变化是当前国际社会普遍关心的重大全球性问题。工业革命以来，全球温室气体排放量持续增加，大气二氧化碳浓度已经从280ppm上升至超过400ppm，温室气体排放引起的环境和经济问题已经成为全球性重要议题。虽然近年来不少国家纷纷做出二氧化碳减排承诺，但到底每个国家每年都有多少碳排放还是一笔糊涂账，亟需一种全球范围区域尺度的二氧化碳测量手段。

卫星如何助力全球二氧化碳监测？上海微小卫星工程中心研究员尹增山带领的卫星研制团队在面临研制周期短、经费少、技术难度大且无成熟经验可借鉴的情况下，建立了我国自主天基碳监测方法和技术能力，研制了我国首颗、世界第三颗碳监测卫星，搭载了一台高光谱与高空间分辨率二氧化碳探测仪。这台探测仪可以通过光学仪器对受二氧化碳影响的太阳光谱进行非常精准的测量，再通过构建的反演算法反向推算出二氧化碳浓度，用通俗的话说，就是通过看“颜色”来识别二氧化碳气体。

01 中国碳卫星如何“炼成”的？

二氧化碳在大气中浓度含量仅万分之四，为识别浓度的季节变化，需要实现优于百分之一（即百万分之四）的观测精度。那么碳卫星到底身怀什么样的绝技，才能够让“碳排放”无处遁形？项目团队首次构建了我国自主知识产权的全链路模拟仿真系统。给出了观测要素、观测方法与仪器指标，回答了二氧化碳高精度监测的问题；剥离了气溶胶，水汽，云等影响，回答了二氧化碳如何高精度反演的问题。形成了空间连续二氧化碳高光谱采样、云与气溶胶多要素一体化监测、在轨线型动态校正相结合的碳卫星系统方案和全链路技术指标体系。相比美国与日本方案，具有采样点数多、多要素同步监测的独特优势，并解决了探测器规模受限下的高精度监测问题。

图表 1全球二氧化碳监测科学实验卫星示意图

碳卫星最终要实现全球观测，需要卫星平台实现灵活的观测模式，充分发挥载荷。团队设计了陆地和海洋耀斑2种与载荷系统设计紧密耦合的观测模式，实现了高信噪比观测，观测信号能量比美国OCO-2卫星提高了1倍。设计并实现了对日、对月、对TCCON站等9种定标方法--观测姿态多变如同跳华尔兹，将仪器物理变化过程和线型参量化模型融入至XCO2反演所采用的全物理反演模型当中，实现了光谱定标精度达0.7皮米，辐射定标精度优于0.9%，支撑了中国碳卫星XCO2和SIF高精度反演精问题。

当然，仅实现高信噪比观测和高精度定标是远远不能完成使命的，要想获取高精度大气二氧化碳浓度数据，还是进行反演同化，而二氧化碳反演同化精度受温度、气压、大气散射等多因素影响，相比传统水汽15%、湿度廓线10%的反演精度要求，CO2精度需要优于0.5%。项目创建了国内首套多要素耦合的二氧化碳全物理反演算法；并建立了首个碳卫星同化模型。实测数据表明，碳卫星反演精度达到了1.47ppm，远高于科技部提出的4ppm的任务书要求，优于日本GOSAT，与美国OCO-2卫星相当。数据同化实现了对碳源汇定量估算，成果在《Nature》《Science Bulletin》发表。

02 “碳排放”有了中国数据

“持家先要有账本，这个‘账本’就是我们自己监测到的碳排放量。碳卫星从研制、发射、到在轨应用、持续、高质量产出多项成果。填补了我国全球二氧化碳监测空白，获取了我国首幅全球高精度二氧化碳分布图，反演精度1.47ppm。

图表 2 全球CO2浓度分布图

得到我国首幅高精度全球植被叶绿素荧光分布图，技术指标国际领先，可用于精确估算全球植被光合生产力，被美国科学院院士列为国际上5种产品之一。

图表 3叶绿素荧光产品

获取了中国碳卫星首个全球碳通量数据集。证明了我国碳卫星可对碳源汇分布进行定量监测。使我国在大气二氧化碳监测方面跻身国际前列。

图表 4 首个碳通量产品

03 科学、经济、社会效益显著

碳卫星为国际气候与环境研究贡献了中国数据，科技部在第14届和15届GEO大会分别宣布碳监测数据和叶绿素数据全球共享，先后为美国、德国、法国、日本等数十个国家用户提供了12.99TB的数据。技术引领方面，碳卫星实现了我国天基碳监测技术“0-1”突破。促进了我国天基碳监测体系建设，推动了十四五国家重点研发计划下一代碳卫星项目部署，团队已经获得了科技部下一代碳卫星项目支持，正在开展我们下一代碳卫星研制。科学推动上，碳卫星验证了天基能够实现1ppm左右的大气二氧化碳监测能力，近期大气所团队唐山区域天基碳监测成果进一步证实了碳排放监测能力，为支撑双碳战略奠定了科学基础。碳卫星技术已应用于夸父一号、创新X科学实验卫星、齐鲁商业碳卫星星座等任务，获得直接经济效益3.4亿元，经济效益显著。同时，国际地球观测组织和欧空局分别将碳卫星纳入其合作计划，提升了我国在全球碳监测领域话语权。

碳卫星开创了我国天基二氧化碳监测的先河，建立了全链路技术体系和系统方法，为我国天基温室气体高精度监测和反演同化奠定了技术基础，支撑了全球气候变化研究，提升了我国在全球碳监测领域的话语权。后期，团队将继续在碳监测领域。

在“双碳”形势下，团队围绕加强我国天基碳监测能力，增强我国在全球气候变化谈判中的知情权、话语权、主动权和主导权，推动基于下一代碳卫星的天基碳监测新方法、新技术、新能力的突破，完善我国天基碳监测体系，形成我国各省区和重点行业、重点排放源的高效监测能力，支撑碳核查和碳排放权交易及相关活动，为实现中国2030“碳达峰”与2060“碳中和”目标奠定坚实基础。