大氣、二氧化碳甲烷天空一體化監測研究進展

薛勇

我國的碳中和目標涉及了二氧化碳以及其他一些溫室氣體。在二氧化碳和溫室氣體的監測領域，是未來非常重要的基礎性工作。

大氣中二氧化碳變量是影響全球氣候變暖的一個主要因素。碳存在于任何地方，按照物理學的物質平衡原理，整個地球碳總量在理論上是不變的，只是它以不同的形式存在于各種地方，如陸地、海洋、大氣。工業、化石、能源、交通甚至人類生活等都會產生二氧化碳，并以某種方式釋放在大氣中。2019年，大氣中的二氧化碳濃度達到一個非常高的峰值，415億噸。

提到全球氣候變暖，首先想到的是二氧化碳，但甲烷溫室效應能力是二氧化碳的23倍，它使氣候變暖的能力非常高，且濃度比工業化之前高150倍。從氣體特點上來講，二氧化碳穩定且壽命長，甲烷不穩定壽命短，所以甲烷的量比二氧化碳少很多。稻田里、化石燃料、垃圾填埋、畜牧業等都產生大量的甲烷，北極凍土消融之后，也有很多甲烷被釋放出來。如果能夠充分利用甲烷，便是以另外一種方式降低二氧化碳的排放。

對溫室氣體的測量，一般會運用地籍測量、航空測量、衛星測量，通過繁衍算法推算二氧化碳、甲烷等氣體的含量。地籍測量技術已經相當成熟且有歷史。早在1948年，我國已經使用地籍測量法測量了大氣中的光譜曲線。二氧化碳和甲烷的地籍測量主要是利用西周光譜作為地基臺站測量，早期在夏威夷、南極開啟，而后WMO世界氣象組織，建立了全球大氣觀測系統，我國也在20世紀80、90年代建立了三個區域本體站和全球本體站。例如，瓦里關全球大氣本底站是我國跟世界氣象組織共享數據的一個中國本底數據站。

目前，全球有32個監測站點和110個區域的本體站，對于地球遼闊的空間來說，無法支撐整個地球在地圖上二氧化碳的存在量測量。于是，便用衛星、航空測量，航空測量到目前為止仍沒有成為系統，只是有個別實驗。如日本曾利用航空公司，在飛機上面裝上兩個傳感器，它把空氣采樣測量之后做測量測算。我們國家也做了一些實驗，包括航空攝影和航空測量實驗。利用民用航空器來采集大氣樣本，然后拿回來做分析。除此之外，我國家還做了激光雷達的航空測量，但是它是短時間內的密集的測量，如果長時間測量造價太高。

這種情況下，如果用衛星來做會更省錢省力，衛星的優勢在于它是全球大范圍監測，而且它可以長時間持續飛行，像一個非常連續、穩定的空中車輛。衛星遙感監測第一步是把衛星發射上天，建立衛星平臺；第二步裝上傳感器，通過傳感器波段與空間分辨率等獲得數據；第三步是數據下來后，建立一個物理模型，把數據繁衍成需要的二氧化碳濃度。衛星測量主要采用三個模式，第一個是紅外，可以看到熱輻射的波動；第二個用近紅外，這是需要反射的；第三種是主動的激光雷達，不同的衛星搭載不同的傳感器。

2002年，德國布萊梅大學做的名為sky market傳感器數據產品現已廣泛被使用，驗證了衛星測量的優勢可行性之后，各國后續做了一系列衛星，包括我國的碳衛星，如2016年發了一個碳衛星TANSAT，以及其他國家發射的OCO等。每個衛星都有自己的特色， sky market作為最早的衛星，精度比較差，約為12～14個ppm，但做全球氣候變化研究要求測量精度要小于1%，需在1～2ppm，sky market達不到，但它可以做大氣污染監測，所以這顆衛星在大氣污染監測方面應用很多。我國的碳衛星TANSAT精度就達到2～4ppm，已經接近做氣全球氣候變化研究的要求。除此之外，衛星遙感還有范圍大小的問題，如果范圍很大，那么它的分辨率就比較低，實操二氧化碳監測的時候，可能會對準每個發電廠，需要針對一個小區域，了解它的排放量，這些問題對于遙感的方式來說是個挑戰。

在目前衛星分辨率不夠精確的前提下，如何建立一個非常好的算法，能夠通過衛星數據而得到較高的空間分辨率，以滿足1%的精度要求的算法？現階段，會盡量把幾種觀測手段聯合起來使用，以避免觀測數據受到環境及其他因素的影響。同時，衛星觀測的時候有幾種模式，比如說垂直向地球觀測，或臨邊觀測、斜著觀測等各種模式。目前我國的風云衛星上面有幾個傳感器跟馬斯特衛星類似，它的優勢是性能比較穩定，目前一直在天上飛，誤差相對大點。

做二氧化碳排放量的監測、污染，歐洲環境衛星被使用的非常廣泛，衛星搭載的傳感器由荷蘭氣象局與美國聯合設計，這個傳感器能夠測量二氧化碳、臭氧、二氧化硫、甲烷、一氧化氮等，其數據已被廣泛使用，而且非常穩定。唯一的遺憾就是它的空間分辨率比較粗糙，但精度非常好。

所以我們也開拓了一些商業衛星的使用，上文提到衛星在天上飛的時候，很難對一個地區做定點測量，商業衛星的好處在于可以針對需求，只要給錢，就可以實現客戶指定的地方拍攝。我國風云也帶了一些傳感器，可以做這個測量，但總的來說都存在反演精度不高，達不到1%的要求。

衛星發射的時候，它有個理論精度，還有一個實際最終產品的精度，這是稍微有些差異的。其實衛星在設計的時候，是希望能夠測量到二氧化碳濃度，但是后來發現它的精度始終是達不到想要的要求。簡而言之，所有衛星它們能測量的就是二氧化碳和甲烷的重濃度，衛星上得到的是重濃度數據，從天頂到天底下，跟地面測量對比會發現中間是有很大的差距。所以，有的傳感器還可以做這個擴線測量，是未來的衛星發展的一個趨勢。