國外天基溫室氣體遙感載荷發(fā)展研究

宋晶晶（北京空間科技信息研究所）

1 引言

溫室氣體的增加會加強溫室效應，還會使氣候發(fā)生變化，影響許多地區(qū)的自然生態(tài)系統(tǒng)。隨著全球變暖問題日益受到關注，衛(wèi)星遙感為大氣溫室氣體含量監(jiān)測提供了新的思路，衛(wèi)星遙感能夠大尺度、全天時、長周期、連續(xù)地對地球大氣、海洋和陸地生態(tài)環(huán)境進行監(jiān)測，能夠更好地獲得全球時空分布與變化特征。目前以歐美為主的航天大國都在積極發(fā)展專用于溫室氣體探測的遙感載荷，溫室氣體遙感探測技術從開始的綜合性遙感載荷探測發(fā)展到專業(yè)遙感載荷探測，遙感載荷類型從被動遙感擴展到主動遙感，觀測模式也從單一模式向天底、臨邊、耀斑和目標等多種模式相結合發(fā)展。

依據(jù)地球觀測衛(wèi)星委員會（CEOS）和世界氣象組織（WMO）的“觀測系統(tǒng)能力分析和評估工具”（OSCAR）的官方數(shù)據(jù)庫，針對應用于二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氫氟碳化物及六氟化硫5類長生命周期的溫室氣體觀測的天基遙感載荷，可分為天底穿軌掃描紅外探測儀、天底穿軌掃描短波探測儀、臨邊掃描探測儀和天基激光雷達共4類載荷。其中目前在軌的溫室氣體任務均采用位于地球同步軌道上的被動探測遙感載荷進行觀測，未來將發(fā)展地球靜止軌道探測遙感載荷以及主動探測遙感載荷，這些新任務將確保觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性，提供更好的分辨率和精度，更高的重訪周期和更全面的覆蓋范圍，從而提高觀測水平，有助于關鍵問題的進一步解決和開發(fā)更好的地球系統(tǒng)過程模型，加強全球對于溫室氣體的了解和研究。

2 典型天底穿軌掃描紅外探測儀發(fā)展情況

天底穿軌掃描紅外探測儀通常工作在中波紅外和熱紅外譜段，光譜分辨率可達0.1cm，空間分辨率約為10km。用于溫室氣體觀測的典型天底穿軌掃描紅外探測儀主要包括美國目前在軌的大氣紅外探測器（AIRS）和穿軌紅外探測器（CrIS），歐洲航天局（ESA）目前在軌的紅外大氣探測干涉儀（IASI）和在研的下一代增強型大氣探測干涉儀（IASI-NG）。

AIRS是搭載在美國國家航空航天局（NASA）“水”（Aqua）衛(wèi)星上的綜合性遙感載荷。Aqua衛(wèi)星于2002年5月4日發(fā)射，截至目前已成功在軌工作了16年，仍持續(xù)每天向氣象預報中心傳回70億個實時觀測數(shù)據(jù)。AIRS由BAE系統(tǒng)公司（BAE Systems）紅外與成像系統(tǒng)部門（LMIRIS）研制，主要數(shù)據(jù)產(chǎn)品是對流層內(nèi)的大氣溫度、濕度和地表溫度的高精度三維垂直分布圖，在過去的16年里顯著提高了天氣預報的準確性。此外，AIRS還能夠繪制溫室氣體分布圖、追蹤火山噴發(fā)以及森林火災排放的煙霧，測量氨等有毒化合物和預測干旱區(qū)域。AIRS團隊于2008年繪制出首個對流層二氧化碳全球地圖，揭示出其超過預期的變化情況。AIRS的高靈敏度和穩(wěn)定度使AIRS團隊能夠成功反演對流層（8～10km）的二氧化碳濃度，水平分辨率達到100km，精度優(yōu)于2ppm，成為測量和繪制對流層二氧化碳濃度的有效手段。

CrIS是搭載在美國“國家極軌環(huán)境業(yè)務衛(wèi)星系統(tǒng)預備項目”（Suomi NPP）衛(wèi)星以及“聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)”（JPSS）系列的4顆衛(wèi)星上的溫室氣體任務有效載荷，其中Suomi NPP衛(wèi)星發(fā)射于2011年10月28日，JPSS-1衛(wèi)星發(fā)射于2017年11月15日，后3顆衛(wèi)星分別計劃于2021年、2026年和2031年發(fā)射。CrIS由美國雷聲公司（Raytheon）研制，延續(xù)了AIRS的品質(zhì)，在它運行期間不斷推出新成果，為天氣和氣候應用提供了更加精確和詳細的大氣溫度、濕度觀測資料。

CrIS掃描幾何和覆蓋范圍示意圖

AIRS掃描幾何和覆蓋范圍示意圖

IASI是ESA“氣象業(yè)務”（MetOp）系列的3顆衛(wèi)星上的溫室氣體任務有效載荷，3顆衛(wèi)星分別發(fā)射于2006年、2012年和2018年。IASI的主承包商是泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）。IASI工作在紅外頻段，能夠晝夜不間斷工作，每24小時提供120萬量級的大氣頻譜數(shù)據(jù)。IASI的14個工作波長為15μm的高光譜分辨率的通道，具有對二氧化碳的高度敏感性，而對于其他大氣成分則敏感度較低。其探測通道同時對大氣溫度具有高度敏感度，通過與搭載在MetOp衛(wèi)星上的先進微波探測儀（AMSU）測量的溫度數(shù)據(jù)相抵，在月級別空間分辨率為5°×5°時，可獲得二氧化碳測量精度約為2.0ppmv（0.5%），IASI還提供了幾個專對大氣甲烷敏感的通道，經(jīng)過數(shù)據(jù)反演可獲得的月級別測量精度約為16ppbv（約1%）。

IASI掃描幾何和覆蓋范圍示意圖

IASI-NG是歐洲在研的下一代極軌氣象衛(wèi)星系統(tǒng)——“第二代氣象業(yè)務”（MetOp-SG）系列的3顆衛(wèi)星上搭載的溫室氣體任務有效載荷，是IASI的改進型產(chǎn)品，主承包商是法國阿斯特留姆公司（現(xiàn)空客防務與航天公司），其中首顆衛(wèi)星MetOp-SG A1將于2021年發(fā)射。IASI對于一些含量較少的大氣組分（如甲烷、一氧化二氮和一氧化碳），僅能觀測到有限的光譜特征，因此僅用于氣柱濃度測量。要想獲得這類組分的垂直分布則需要進一步提高載荷的光譜分辨率，在IASI基礎上開發(fā)的新一代IASI-NG的光譜和輻射性能得到了進一步改進，包括：由于光譜分辨率的增加，對下部對流層更好地進行垂直覆蓋；由于信噪比提高，對測量輻射的吸收光譜信號干擾減少，因而提高了熱力學、氣候和化學變量的反演精度，幾種大氣成分的探測范圍也有所提高。預計未來，IASI-NG可能為歐洲的數(shù)值天氣預報、大氣化學和氣候研究團體帶來巨大益處。

3 典型天底穿軌掃描短波探測儀發(fā)展情況

天底橫向掃描短波探測器通常工作在紫外、可見光、近紅外和短波紅外譜段。光譜分辨率范圍從亞納米級到幾納米，空間分辨率約為10km，水平采樣通常為不連續(xù)采樣，其中紫外譜段主要應用于臭氧測量，擴展到可見光與近紅外譜段之后，則可以進行一些包括氯化物和NOX等大氣成分的測量，再擴展到短波紅外譜段之后，就可以進行一些溫室氣體探測。用于溫室氣體觀測的典型天底穿軌掃描短波探測儀主要包括美國目前在軌的軌道碳觀測儀－2（OCO－2 instrument）和在研的下一代軌道碳觀測儀－3（OCO－3 instrument）。

OCO－2觀測模式示意圖

軌道碳觀測儀－2是搭載在美國軌道碳觀測－2（OCO－2）衛(wèi)星上的遙感載荷。OCO－2發(fā)射于2014年7月2日，是繼2009年2月24日OCO－1發(fā)射失敗之后，成功發(fā)射的全球首顆專門監(jiān)測二氧化碳的衛(wèi)星。OCO－2至今已獲取大量溫室氣體測量數(shù)據(jù)，每天可在全球范圍內(nèi)測量10萬次大氣二氧化碳，其高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)揭示了碳與地球上的海洋、陸地、大氣生態(tài)系統(tǒng)和人類活動等之間的微妙關系，展示了對科學的新見解。

目前，美國噴氣推進實驗室（JPL）正在研制的軌道碳觀測儀－3，是OCO－2衛(wèi)星的下一代專用溫室氣體探測載荷，該載荷計劃2019年搭乘貨運飛船去往“國際空間站”（ISS）。與飛行在太陽同步軌道上、每天近乎在相同時刻對地球觀測的OCO－2衛(wèi)星不同，OCO－3在“國際空間站”低地球軌道以51.6°傾角對地觀測，因此可以實現(xiàn)全天對二氧化碳濃度進行監(jiān)測。

為能夠從“國際空間站”進行測量，OCO－3載荷進行了2個重大設計變更：增加了靈活的2軸指向機制和極化機制，從而能夠實施更靈活的新型觀測戰(zhàn)略。與OCO－2載荷相比，OCO－3載荷在51°N和51°S緯度之間的采樣密度更高，并且能夠在每個軌道上以天底、耀斑或快照模式進行觀測。與OCO－2載荷相比，OCO－3載荷對海洋上空的采樣數(shù)量增加了1倍，能夠以1ppm的精度對密集目標（如城市、發(fā)電廠或海岸線）進行測量。OCO－3載荷對大多數(shù)區(qū)域的探測精度將與OCO－2載荷相同，但該載荷不對南部海洋進行觀測。

OCO－3快照模式示意圖

OCO－2和OCO－3將為NASA計劃于2022年發(fā)射的“地球靜止軌道碳循環(huán)觀測臺”（GeoCarb）任務鋪平道路，該任務將在全球首次從地球靜止軌道利用凝視遙感載荷對地球進行觀測，其首要目標是監(jiān)測整個美洲的植物健康和植被脅迫，并對自然資源、碳循環(huán)和一氧化碳、二氧化碳及甲烷的交換過程以更高的精度進行探測。GeoCarb衛(wèi)星所處的經(jīng)度使其能夠對美洲大陸從北緯50°，至南部從哈得遜灣南端到南美洲南端之間的區(qū)域進行“從墻到墻”的觀測。GeoCarb衛(wèi)星將以大約5～10km的空間分辨率，每天采集1000萬次二氧化碳、甲烷、一氧化碳和太陽誘導熒光（SIF）的濃度信息。GeoCarb將補充OCO－2衛(wèi)星和其他低地球軌道衛(wèi)星的測量，填補時間和空間上的數(shù)據(jù)覆蓋缺口。

OCO－3載荷除了與OCO－2載荷一樣有天底、耀斑和目標觀測模式之外，還增加了城市（City）觀測模式，即快照（Snapshot）模式，該模式是由目標模式延伸而來。在目標模式下，OCO－3載荷對約50km×50km的地面區(qū)域每3min可進行約3600次采樣。在快照模式下，當“國際空間站”直接飛過區(qū)域中心時，可覆蓋范圍約100km×100km。

GeoCarb衛(wèi)星觀測示意圖

4 其他天基溫室氣體遙感載荷發(fā)展情況

除上述兩類遙感載荷外，用于溫室氣體觀測的遙感載荷還有臨邊掃描探測儀，如搭載在加拿大航天局于2003年8月12日發(fā)射的對地觀測小衛(wèi)星科學實驗任務——大氣化學實驗科學衛(wèi)星－1（SCISAT－1）上的大氣化學實驗傅里葉變換光譜儀（ACS-FTS），該載荷采用臨邊觀測模式對溫室氣體進行觀測。此外還有天基激光雷達，如計劃搭載在歐洲“甲烷遙感激光雷達任務”（MERLIN）衛(wèi)星上的集成路徑差分吸收激光雷達（IPDA LIDAR）以及計劃搭載在美國“日夜及季節(jié)性二氧化碳排放主動監(jiān)測”（ASCENDS）任務上二氧化碳探測激光雷達。其中MERLIN任務是首次利用“主動型”雷達載荷進行甲烷氣體探測，此前都只是利用搭載“被動型”載荷的對地觀測衛(wèi)星進行大氣層甲烷氣體測量，而該二氧化碳探測激光雷達將以超越以往的高精度對大氣中的二氧化碳進行監(jiān)測。

5 總結和分析

采用多種觀測模式相結合的紅外高光譜探測技術，是溫室氣體遙感載荷的主要發(fā)展方向

溫室氣體吸收地球表面、大氣和云層發(fā)出的紅外輻射，因此溫室氣體遙感載荷普遍工作在紅外譜段。低地球軌道平臺上的天基紅外遙感載荷已經(jīng)對天氣預報的改進作出了巨大貢獻，高光譜紅外遙感載荷由于可以探測出溫室氣體豐富的診斷性光譜特征，可提供溫室氣體包括趨勢、季節(jié)性、上至中對流層的強輻射（如火災）以及大氣傳輸?shù)缺姸嘈畔ⅲ蚨秊楸O(jiān)測大氣成分變化發(fā)揮關鍵作用。通過采用天底、臨邊和掩日等不同觀測模式滿足不同溫室氣體探測需求，此外，高光譜紅外遙感載荷還通過與各種不同遙感載荷相結合而實現(xiàn)不同的用途，如：1）通過結合短波紅外觀測數(shù)據(jù)，可將對溫室氣體敏感的觀測區(qū)域從僅對流層延伸至行星邊界層+對流層；2）采用臨邊探測模式，可通過反演觀測數(shù)據(jù)，獲得二氧化碳垂直分布圖。

基于激光的主動遙感探測技術，是未來溫室氣體遙感載荷的重要發(fā)展方向

盡管被動遙感技術對于了解全球碳循環(huán)做出了很大貢獻，但采用被動遙感技術只有在晴空無云的有利條件下，才可以精確測量大氣中的氣體。由于主動探測遙感技術采用一個更簡單的固定觀測幾何，具有共同的垂直照明和觀測路徑。確定范圍的激光測量消除了大氣散射的誤差。這種方法可以在白天和黑夜、在海洋和陸地表面、在所有緯度和一年中的任何時間進行測量。主動探測遙感技術對于對流層低層二氧化碳具有更高的敏感性，在該大氣層中大氣濃度對于地表通量的反應最強烈。主動激光雷達能夠更頻繁地觀測南部海洋，特別是在冬季，被動遙感載荷實際上無法對黑暗海洋進行觀測。基于激光主動遙感的溫室氣體觀測能夠實現(xiàn)高精度、全天時、全天候監(jiān)測的新技術，是未來全球溫室氣體觀測的發(fā)展方向。隨著天基激光雷達探測技術研究的逐步深入，這些主動激光探測技術有望同被動探測遙感技術有機結合，成為精確觀測溫室氣體的重要手段。

發(fā)展靜止軌道溫室氣體遙感載荷探測技術，與低軌道平臺觀測數(shù)據(jù)互相補充

雖然采用太陽同步軌道遙感載荷測量溫室氣體能提供全球覆蓋，但它們的重訪時間長，覆蓋缺口范圍較大，并且通常始終在一天的同一時間對指定區(qū)域實現(xiàn)1～2次觀測（通過采用2顆LEO衛(wèi)星上的相同載荷可實現(xiàn)2次重訪）。由于天氣對生態(tài)系統(tǒng)的影響時間范圍為幾天到幾周，采用低地球軌道測量可能會錯過這些變化以及其如何與生物體活動相互聯(lián)系這些信息。而地球靜止軌道遙感載荷將補充低地球軌道遙感載荷的測量數(shù)據(jù)，填補時間和空間上的數(shù)據(jù)覆蓋缺口，有利于開發(fā)更好的地球系統(tǒng)過程模型，提高天氣預報和改善地球環(huán)境。