碳卫星：地球的“体温计”

张兴赢

　　今年9月的杭州峰会，我国倡议二十国集团（G20）发表首份气候变化问题主席声明，率先签署《巴黎协定》，代表中国政府向全球作出庄严承诺。《巴黎协定》为什么宁可牺牲经济发展，也要设定温室气体减排的目标？这都是温室气体惹的祸，地球自人类工业革命之后在持续“发烧”。而我国刚刚发射的碳卫星，能够准确测量地球的“体温”，为人们治疗地球的病症提供最可靠的依据。

　　温室气体：地球温度不断升高的罪魁祸首

　　地球大气的温度正在不断升高，其罪魁祸首被科学家锁定为以大气中二氧化碳为代表的气体，它们让太阳加热地球的短波辐射轻易进入，却将地球向外散热的长波辐射反射回地球，因此热量易进难出，就像栽培植物的温室一样。这种效应被形象地称为温室效应，二氧化碳等气体就被称为温室气体。

　　二氧化碳气体原本是自然界中的固有成分，地球形成时大气中就有二氧化碳了，为什么我们现在却对它“嫉恶如仇”？原因在于，工业革命以来，科学家研究发现大气中的二氧化碳一直在增加，且增加的值超过了40万年来的正常“波动”范围。

夏威夷天文台每月观测所得的大气中二氧化碳浓度变化（单位：ppm，即百万分之一）。来源：NOAA

　　二氧化碳：虽透明却难以看透

　　科学家们研究得出结论：在过去的50年中，因为人类社会经济的发展，每年化石燃料燃烧产生的300亿吨CO2中大约有一半会留在大气层中，另外一半通常认为被海洋和植物吸收了，但是科学家并不能确定这些CO2最后去了哪里、以什么样的形式消失、其中的具体机理又是怎样的？其实这些科学问题至今还悬而未决。

　　对二氧化碳了解有限，其中最主要的原因就是我们对大气中二氧化碳气体的变化规律掌握的还不够详尽。从上个世纪60年代开始，各国就陆续在地面建设观测站，开展大气二氧化碳观测。其中最著名的就是美国夏威夷的观测站，从建立观测站至今，已经积累了半个多世纪的数据记录。美国夏威夷观测站从50年代就开始实际监测，20世纪后30年，每年CO2增幅1%-2%， 每年CO2增加量约为2ppm。

　　但是二氧化碳是一种长寿的化学物质，会长时间停留在大气中，然后随着大气运动在全球传输扩散。可是至今，全球只有200多个温室气体观测站，这些有限的观测数据极大地限制了人类对二氧化碳的认知，进而限制了人类对碳排放和全球气候变化影响的科学认知。

　　于是，2000年后，科学家们开始把目光投向了尖端的卫星探测技术，希望借助卫星“天眼”，可以全天候观测全球任何角落大气二氧化碳的浓度信息。

　　目前，全球已有两颗专门的二氧化碳探测卫星在天上运行。日本卫星GOSAT观测不够精细，最小只能探测到10公里范围内的大气二氧化碳平均值。美国卫星OCO-2空间分辨率提高到2公里左右，但是它只是一颗小卫星，上面只有一个观测二氧化碳的仪器，无法同时获取云和大气中气溶胶的信息，而这些信息是卫星探测二氧化碳非常重要的辅助观测信息。

数值模式模拟的二氧化碳在大气中扩散的情况。在碳卫星开始工作后，这些数据将更加精准。来源：NOAA

　　我国发射的碳卫星：空间分辨率超过美日

　　我国刚刚发射的碳卫星上不仅搭载了一个和美国OCO-2类似的先进二氧化碳探测仪器，而且同时还搭载了一台先进的云和气溶胶的探测仪器。碳卫星的空间分辨率将超过美日卫星，达到1-2公里，也就是说两个相邻较大的小区排放二氧化碳的差别都可能被分辨出来。

　　太阳光经过大气层到达地面后又反射回太空，发生了各种微妙的变化。碳卫星通过观测，将这些变化如实记录下来。但由于变化实在太微小了，科学家得经过如下几步才可能将这种变化分离出来：

　　第一步：经过对原始信号进行预处理，包括定位（将卫星传下来的信号准确地对应上地理经纬度）、辐射定标（利用复杂的大气辐射传输模型计算这些信号对应的太阳辐射量值）、光谱定标(对记录到的太阳光谱信号进行光谱位置复原）等。

　　第二步：研究这些数据中哪些信号可以指示大气中的二氧化碳含量。在找到信号后，还需要想办法剔除大气中其他因素对这些信号的干扰，尽可能得到大气二氧化碳的“纯粹”信号。

　　第三步：利用数学、物理、光学以及化学等知识，建立计算大气辐射传输过程的计算机模型。其间，需要在模型中输入卫星观测得到的温度、湿度、大气层厚度、云以及气溶胶等各类参数，利用计算机开展高速计算，不断迭代直到模型里的无数个方程全部收敛，才可以得到大气中准确的二氧化碳浓度信息。

　　得到这些二氧化碳浓度信息后，为了便于科学家和政府决策者以及公众可以便捷地了解大气中二氧化碳的浓度分布，我们还要让这些看不见摸不着的二氧化碳“可视化”，对应不同浓度的信息，赋予各种颜色的变化，然后按照地理信息坐标投影到地图上。这样一来，大家终于可以清晰地看见大气中的二氧化碳在全球任何地方的分布信息。请大家拭目以待吧。

我国发射的碳卫星运行模拟图。来源：上海微小卫星工程中心

　　当然，卫星探测得到这些二氧化碳浓度信息后，还需要更多的科学家建立碳排放吸收模型，利用卫星资料同化技术，把这些卫星观测资料“吃”到模型里，然后再计算出大气二氧化碳究竟在什么地方、什么时间，排放出多少量、吸收了多少量、留在空气中多少量，以及留在空气中的二氧化碳随着大气运动又都传输到哪儿去了。

　　有了这些信息后，我们才可以清晰地掌握碳排放的机理和变化，可以有的放矢地制定减排政策措施，可以获得更多的科学结论来应对全球气候变化。当然，如果碳卫星表现够出色，在谁应该为地球“发烧”来买单问题上，没准儿还能派上大用场！（作者为中国气象局遥感应用服务中心副主任）

　　（来源：《中国气象报》2016年12月27日三版 责任编辑：张林）