大气、二氧化碳甲烷天空一体化监测研究进展

薛勇

中国的碳中和目标涉及二氧化碳和其他温室气体。在二氧化碳和温室气体监测领域，是未来非常重要的基础工作。

大气中二氧化碳的变化是影响全球变暖的主要因素。碳到处都存在。根据物理学中的物质平衡原理，整个地球的碳总量理论上是恒定的，但它以不同的形式存在于各个地方，比如陆地、海洋、大气。工业、化石、能源、交通甚至人类生活都会产生二氧化碳，并以某种方式释放到大气中。2019年，大气中二氧化碳的浓度达到了一个非常高的峰值，415亿吨。

提到全球变暖，首先想到的是二氧化碳，但甲烷的温室效应是二氧化碳的23倍。它具有非常高的升温能力，其浓度比工业化前高150倍。从气体特性来说，二氧化碳稳定，寿命较长，而甲烷不稳定寿命较短，所以甲烷的量要比二氧化碳少得多。稻田、化石燃料、垃圾填埋场、畜牧业等。都会产生大量甲烷。北极永久冻土融化后，也会释放出大量甲烷。如果甲烷能被充分利用，这是另一种减少二氧化碳排放的方法。

测量温室气体一般采用地籍测量、航测[/k0/]测量和卫星测量，通过乘法算法计算二氧化碳、甲烷等气体的含量。地籍测量技术已经相当成熟，并且已经有了历史。早在1948年，我国就已经利用地籍测量来测量大气中的光谱曲线。二氧化碳和甲烷的地籍调查主要采用西周光谱作为地面站测量，早期在夏威夷和南极洲开始，随后WMO建立了全球大气观测系统。中国也在上世纪八九十年代建立了三个区域性本体站和全球本体站。例如，瓦里关全球大气背景站是中国与世界气象组织共享数据的中国背景数据站。

目前在全球110个地区有32个监测站和本体站。对于地球广袤的空空间来说，无法支撑整个地球地图上二氧化碳的测量。因此，使用了卫星和航空空测量。航空空测量至今没有成为一个系统，只是一些个别的实验。比如日本曾经用杭航空公司在飞机上安装了两个传感器，对空气体进行采样测量，然后进行测量。我们国家也做过一些实验，包括航拍空摄影和航拍空测量实验。用民航空设备采集大气样本，然后带回去分析。另外我们国家也做了激光雷达的机载空测量，但是短时间内是密集测量，长时间测量成本太高。

在这种情况下，使用卫星会更经济省力。卫星的优势在于它是一个全球监测系统，可以长时间连续飞行，就像一个非常连续稳定的空中型飞行器。卫星遥感监测的第一步是将卫星发射上天，建立卫星平台。步骤二，安装传感器，通过传感器波段与空之间分辨率获取数据；第三步，数据下来后建立物理模型，将数据乘以需要的二氧化碳浓度。卫星测量主要采用三种模式，第一种是红外，可以看到热辐射的波动；第二种用的是近红外，需要反射；第三种是主动激光雷达，不同的卫星配备不同的传感器。

2002年，德国不来梅大学推出的传感器数据产品sky market得到了广泛应用。在验证了卫星测量的优越性和可行性后，各国都做出了一系列卫星，包括中国的碳卫星，如2016年发射的碳卫星TANSAT，以及其他国家发射的OCO。每颗卫星都有自己的特点。天空市场作为最早的卫星，精度相对较差，约为12 ~ 1~2ppm。而对于全球气候变化研究，要求测量精度小于1%，1 ~ 2 ppm，天空市场达不到。但它可以监测空气污染，所以这颗卫星被广泛应用于空气污染监测。中国碳卫星TANSAT的精度为2 ~ 4 ppm，接近全球气候变化研究的要求。另外，卫星遥感还有范围大小的问题。如果范围很大，那么它的分辨率相对较低。在实际监测CO2时，可能是针对各个电厂，需要针对一个小区域才能知道它的排放量。这些问题对遥感方法是一个挑战。

在目前卫星分辨率不够精确的前提下，如何建立一个非常好的算法，能够通过卫星数据在空之间得到更高的分辨率，从而满足1%的精度要求？目前会尽量将几种观测方法结合起来，避免环境等因素对观测数据的影响。同时，卫星观测有几种模式，比如对地球的垂直观测，或者边缘观测、斜向观测等模式。目前我国风云卫星上有几个传感器，类似于Master卫星。它的优点是性能比较稳定。目前一直在天上飞，误差比较大。

欧洲环境卫星被广泛用于监测二氧化碳排放和污染。卫星携带的传感器由荷兰气象局和美国联合设计。这种传感器可以测量二氧化碳、臭氧、二氧化硫、甲烷、一氧化氮等。它的数据已经被广泛使用，并且非常稳定。唯一遗憾的是，它在空之间的分辨率比较粗糙，但是精度非常好。

因此，我们也开放了一些商业卫星的使用。如上所述，当卫星在天空中飞行时，很难对一个区域进行定点测量。商业卫星的好处就是能满足需求，只要给钱，就能在客户指定的地方拍摄。中国的风云也有一些传感器，可以做这个测量，但是总体来说反演精度不高，达不到1%的要求。

卫星发射时有一个理论精度和一个实际最终产品精度，略有不同。其实卫星设计的时候是希望测量二氧化碳浓度的，但是后来发现精度总是达不到预期要求。简而言之，所有卫星都可以测量二氧化碳和甲烷的重浓度，从卫星上获得的数据是重浓度。与地面测量相比，差距较大。所以有些传感器也可以做这种延长线测量，这是未来卫星发展的一个趋势。