如何监测大气中的二氧化碳含量？

本文来自微信公众号：人大生态金融（ID：ecofinance2014），作者：薛勇（中国矿业大学能源与环境遥感大数据中心主任、二级教授、博士生导师，国际欧亚科学院院士、长江学者特聘教授、国际数字地球学会中国国家委员会“数字能源”专业委员会常务副主任。），原文标题：《【专业】回放来了！薛勇-借助卫星遥感监测二氧化碳与碳中和》，头图来自：视觉中国

引言

温室效应与大气二氧化碳是什么？

首先回顾一下全球变暖和温室效应。大气能使太阳的短波辐射到达地面，地表受热后向外释放出大量的长波热辐射，热辐射同时加温大气被大气吸收，使得地表和底层大气温度升高，这种效果就相当于地球在一个温室里面，温室的外观是大气，所以是一种温室效应。

关于温室效应，不是大气中的每一种成分都会起到增温效果。在地球大气中能够起到增温效果的叫做温室气体。温室气体大家听到过很多，最被大家熟知的就是二氧化碳，碳和氧的一种结合。第二种是甲烷，甲烷可能没有二氧化碳讲那么多。第三种是臭氧，臭氧也是一种温室气体。除此之外也会考虑到一氧化二氮、氟利昂、水汽。

在我们谈到两个主要的成分，二氧化碳和甲烷，二氧化碳的温室效应，它的成分占到温室效应的20%左右，其他的温室气体占到5%。二氧化碳主要来源于碳，所以二氧化碳实际上主要和人类活动，换句话说就是化石燃料的排放密切相关。二氧化碳气体本身是惰性气体，所以一般生成二氧化碳之后，它自己很难产生进一步的化学反应，存在而持续的时间非常长，很难消失，这是我们大家都知道的二氧化碳。

还有一个气体成分就是甲烷。甲烷的量比二氧化碳少很多，但是甲烷引起温室效应的能力是二氧化碳的23倍，如果换成加热效应当量的话，甲烷是二氧化碳的23倍，所以，甲烷是全球气候变暖的第二大温室气体，二氧化碳是第一大温室气体。甲烷主要来自于农业和垃圾填埋，也有一些来自于畜牧业和石油天然气的燃烧。

这是和温室效应有密切关系的两大类气体：二氧化碳和甲烷。

全球碳循环和碳通量

全球的碳元素在地球上的生物圈、岩石圈、水圈和大气圈中交换，我们都知道能量平衡的概念，也就是说地球上总碳是不变的，但是它的某种形式和占的比例成分始终在变化。

一般说大气中的二氧化碳被陆地和海洋中的植物吸收了，通过生物或者地质过程、人类活动，比如煤矿开采燃烧又以二氧化碳的形式返回到大气中，这是一个全球的循环，这里我们有很多种不同的叫法，有的叫做陆地碳循环、海洋碳循环和大气碳循环，针对每一种碳循环大家会起一些名字，大气碳库、海洋碳库和陆地生态系统碳库（主要和植被有关）和岩石圈碳库。

全球碳储库和年通量，一大部分是工业化之前的储量与通量，大气中是597亿吨，还有一部分是由人类活动引起的储量和通量变化。第二部分我们注意到化石燃料有244亿吨，非常高，相比于其他的来说，比如植被、土壤、陆地碳汇、海洋中间的相对来说都比化石燃料少一些，化石燃料是提供了人类活动以后碳储量和通量变化最大的部分。

大气中的二氧化碳是我们比较关心的，刚才提到了化石燃料燃烧，人类活动每年向大气中排放近400亿吨的二氧化碳，在2019年5月11日做了一个统计，发现大气中的二氧化碳的浓度达到了415.26ppm，这是人类历史上二氧化碳浓度首次突破这一数值高峰，相比较五十年代大概300ppm，从1950到现在，ppm增量急剧攀升。

在这里大家可以看到二氧化碳来自于能源消费。火电厂，这是提供电力的一个主要手段，目前还是主要的手段。交通、车排放、航空排放还有居民使用、工厂使用，所有这一切大家可以看到都会向大气中排放大量的二氧化碳，这些都是二氧化碳的主要的来源。

刚才提到了大气中的甲烷，总的含量相对比较低一些，但是它的浓度也在持续增加。在100年的范围内，有科学家做过模拟，全球变暖能力是二氧化碳的20多倍，大气中甲烷的浓度比工业化前的水平高了150%，但是大气中的甲烷寿命相对来说比较短，容易产生化学反应，所以这对我们做碳减排有比较好的工具，通过甲烷的控制在一定程度上也能减少气候变暖。

大气中的甲烷来自于很多地方。例如人为排放源，稻田、填埋、化石燃料、垃圾填埋、畜牧业都会产生甲烷，有研究表明，牛，由于自身特殊的消化构造能向大气中排放大量的甲烷。天然甲烷源，湿地、白蚁、海洋、地质，特别是现在北极冻土的消融融化大量甲烷从冻土中释放出来，这对全球气候变暖起到了很大的作用，这是甲烷的情况。

到目前为止，我们了解了全球二氧化碳甲烷由于人类活动，包括一些自然排放等等，使大气中的二氧化碳和甲烷中的含量急剧增加，从而对全球气候变暖造成了比较大的影响。

自从我国提出碳达峰、碳中和的战略目标，无论是中国、还是全球，碳达峰、碳中和都是首要的重大需求。当然，大家可能也从各种渠道上了解到为了达到碳达峰、碳中和需要做很多工作。我今天报告的内容主要是针对另外一个问题，大家都提到了碳中和碳减排，那么到底二氧化碳在大气中有多少？去年前年是什么状况，明年和后年又会是什么情况？

一方面我们可以模拟，但另一方面我们需要知道每个国家的家底，每个省地区的家底，还有地球的家底，也就是说在大气中到底有多少二氧化碳，而二氧化碳每个地区、每个国家都在排放，他们排放了多少，有没有观测手段呢？这就是我今天要给大家讲的，如何利用各种手段知道我们在大气中二氧化碳的含量。在这方面，我主要从四方面给大家介绍，给大家回顾一下二氧化碳是如何来监测的。

基于地基平台大气二氧化碳和甲烷浓度观测

基于地基平台大气二氧化碳和甲烷浓度观测，从1948年Migeotte在太阳光谱中发现了甲烷的吸收光谱，这是最早的测量。50年代以后，Keeling在莫纳罗亚山、夏威夷和南极开始了精确的大气二氧化碳的长期系统测量。到了80年代，世界气象组织WMO率先建立了全球大气观测系统（Global  Atmosphere  Watch），这是系统的在全球范围内观测大气。

我国在1982年到1994年，1982年在北京上甸子，1983年在浙江临安，1991年在黑龙江龙凤山建立了区域本底站，这是在世界气象组织WMO的框架下结合全球统一标准建立的本底站。1994年我国在瓦里关建立了全球大气本底站，这个数据是在世界气象组织（WMO）中和大家共享的，这是能够提供中国的大气本底数据。最近几年已经形成了多个大气观测网和数据集，下面我给大家介绍一下。

首先，Keeling做的二氧化碳监测，是由NOAA提供支持的，叫做全球温室气体本地站，在全球部署了4个基线天文台，8座高塔的全天候测量，有50多个地点的志愿者收集空气样本，在北美有小型飞机定期收集空气样本。

TCCON（Tatal  Cabon  Column  Observing  Network），这个是由加拿大和NASA2004年建立的，基于地面的傅里叶变换光谱议的观测网络，利用观测数据准确的反演二氧化碳、甲烷、N2O、HF、CO、H2O和HDO的柱总浓度，全球有23个监测站点，这是全球公认的一个二氧化碳和甲烷的标准站网，这个标准是大家公认的，是大家认可的一个标准。

世界温室气体数据中心（WDCGG），是由1990年日本气象厅在JWA在世界气象组织（WMO）下运作的全球大气监测的世界数据中心，主要负责收集、存档、分发由数据贡献者提供的温室气体，包括二氧化碳、甲烷等等。这个数据中心目前收集32个世界气象组织WMO的全球观测站点，110个区域观测站点，包括全球温室气体大气观测网，包括其他的一些26个观测站点和33个移动观测站点，大家可以看到它的布局在欧洲、北美、日本相对密集一些。

除此之外还有一个地基观测数据集GLOBALVIEW二氧化碳，这个观测平台包括地面站、高塔、船舶和飞机，这个站网从1997年开始，现在有313个站和110个地面观测站，包括77个气瓶采样观测点和33个原位连续观测站点，这个数据集主要收集的数据站点分布在北半球特别是欧洲和北美，航测数据主要位于美国、俄罗斯和日本。大家可以看到咱们国家的气象局也是其中的一个贡献者。

以上讲到的都是地基观测。地基观测大家能够感受到，我们从上世纪五十年代开始就有了，所以是长时间的连续观测，地基观测的精度非常高。但是毕竟地基观测的站点数量有限，并且它是点观测，很难做到大范围观测。

同时大家注意到了，它的全球范围的站点分布很不均匀，比如欧洲、北美相对来说密集一些，这就造成它的时空分辨率不高，所以我们就在想有没有卫星观测手段可以弥补这些不足之处。卫星是全球大范围的覆盖，当然了，我们希望卫星观测的数据更精确一些，但目前为止还未达到预期效果，稍后我会和大家介绍现阶段这个技术所处的情况。

所以，在已经具备好的地面观测的基础上，现在我们要想一想能不能把卫星观测加进去，讲地面观测和卫星观测融合在一起。

基于航空平台大气遥感的二氧化碳

在讲卫星之前，我们简单介绍一下航空平台。在地基和卫星中间高度有一个航空平台。航空这方面有日本CONTRAIL团队，他们利用日本航空公司JAL商用客机上的仪器，实现了高精度的大气二氧化碳的测量，飞机上装了几个采样仪器，在飞行过程中做采样和测量，这是一种航空测量的方法。

航空测量很难做到连续，基本上都是一个个实验，比如这个HIPPO的实验是从2009年到2011年，它就是利用太平洋航运不同的高度和纬度通过采样监测二氧化碳和大气痕量气体的全球分布，使用了改进的非色散红外二氧化碳测试仪，但这个仍然达不到连续和大范围。

NOAA也进入了类似的这种航空测量，NOAA的ESRL（Earth  System  Research  Laboratory）他们利用飞机在北美上空做分析，计算大气中的二氧化碳，所以他们主要采用北美航行的一些商用飞机。

我国在2019年、2018年曾经做过两次这样的工作。2019年在山东青岛用运8做过一个二氧化碳的廓线测量。2018年在黑龙江的建三江也做了二氧化碳和甲烷的廓线测量，这是一些有针对性的航空测量。

航空测量中也有包括使用民用航空器，可以用二氧化碳分析仪在民用飞机上，这是从2004年开始到现在一直和飞行轨迹，主要测算二氧化碳和甲烷等等。

除此之外，大家还可以在飞机上用激光雷达做二氧化碳测量，这也是其中的一次实验，大家可以看到在2019年的时候，我们国家在山海关做过类似的飞行实验，使用了激光雷达来测量大气的二氧化碳。

基于卫星平台大气二氧化碳和甲烷浓度观测

我们刚才讲了航空，现在再升高到卫星这个平台测量大气，在这种情况下，这种方法可能可以达到我们所需要的连续、大范围、全球观测。

二氧化碳和甲烷的观测，通过卫星可以做到全球大范围稳定的长时间序列持续不断的观测。大家可能会想到，在这种情况下，使用什么样的技术和物理基础呢？一是红外传感器（热辐射被动测量），二是近红外传感器（日光反射式被动测量），当然我们非常希望将来有主动的激光雷达，这种激光雷达的好处是不受到云层和气溶胶的影响，空间分辨率很高，也可以在夜间观测。右边我列出了一些卫星传感器和它使用的物理原理，这个回头再给大家详细的介绍。

这是到目前为止主要的大气二氧化碳探测卫星，从最早的欧洲的ENVISAT和AQUA（2000年），到AURA，到METOP-A，到GOSAT，后来有OCO、TANSAT、GOSAT-2和OCO-3等等，大家可以看到每个卫星的探测目标和数据。像ENVISAT可以测二氧化碳甲烷，OCO只能测量二氧化碳，GOSAT可以测量二氧化碳和甲烷。精度从最初比较粗糙一直到现在精度非常高的。

卫星还存在一个重复周期的概念，关于重复周期这里做了一个总结，大家可以看到，SCIAMACHY、GOSAT、TANSAT、OCO-2回访周期16天，GOSAT-2回访周期2~6天，SCIAMACHY回访周期6天，我稍后给大家介绍一下每个卫星传感器，当然还有一些未来的计划我也一并在这里给大家介绍一下。

从红外探测的传感器来说，目前主要采用了干涉和光栅的分光类型。IMG、AIRS、TES、IASI都是传感器的名称，卫星发射的时间从1998年开始到2002年，一直到2011年。采用的光谱范围是从3.3-16.7μm，一般都是3.7到15 μm，包括IASI里面3.62-15.5μm，这个谱段主要是近红外和热红外，目前采用的主要是近红外和热红外。光谱分辨率大家看到数据了，空间分辨率从22公里星下点到干涉的5.3×8.3公里，右边也有它的幅宽，就是每次扫描的宽度。

首先介绍一下使用的反演算法。AIRS主要测量中高对流层的二氧化碳廓线，采用的最优化估计方法。IASI是最高对流层的二氧化碳廓线，采用的是神经网络算法。TES采用的最优化估计方法。OCO和GOSAT都用的最优化估计，SCIAMACHY用的DOAS方法，这个后面给大家再介绍一下。

大家可以看到SCIAMACHY使用的WMF-DOS方法，利用柱总量权重函数代替目标气体的吸收截面，同时利用最小二乘法拟合差分光谱信息得到整个大气柱的总量，它利用的柱总量和地面混合比两种产品。

OEM方法主要是用在TES和ACE的传感器上，对大气成分的敏感波段进行廓线的非线性迭代，利用模拟和观测波段的残差值，对残差值进行最小拟合得到廓线信息，它的产品除了柱总量还有廓线。IASI采用的是神经网络的方法，通过对大量的训练样本和大气状态库的数据进行经验性的统计，给出目标大气成分对光谱的依赖权重系数进行反演，它的产品也主要是廓线和柱总量。所以，这是二氧化碳和甲烷采用的反演算法。

总结一下主要是短波红外，像SCIAMACHY  GOSAT、OCO采用的是footprint的探测技术，非常容易受到云的影响，有一定的限制，热红外的好处就是大的幅宽两天可以覆盖一次全球，但是它的精度反演比较有限，同样也受到云的影响。因此，可以看到任何一种单一的方法都不能够满足我们对于研究全球气候变暖的需求，所以我们要把这些方法融合起来使用。

这里总结了一下，有四个大气辐射传输模型使用在了二氧化碳和甲烷的反演里面。从最左边的用VLIDORT，它是用于模拟太阳辐射在大气中的传输过程。LBLRTM是一种准确和高效的逐线积分辐射传输模式，在各层上通过测量它的二氧化碳、臭氧的连续吸收。德国不莱梅大学SCIAMACHY是比较早的卫星上的传感器来生产或者能够给我们提供二氧化碳和甲烷产品的卫星，比较成熟，它使用的是SCIA的大气辐射传输模型。

RTTOV是1988年开始研发的，主要用于计算透过率，主要用于热红外波段卫星二氧化碳的气体反演。

总结一下反演算法，二氧化碳精度对于研究碳源汇时要求小于1%，甲烷精度要小于2%，但是我们发现这两种算法都有各种各样的缺陷，它的缺陷目前看到的最优估计方法是比较常用的反演方法，去除被云影响的像元，建立气溶查找表，在全球范围内反演精度在4ppm，大约相当于1%。

DOAS类方法针对SCIAMACHY用的，现在已经不工作了，它的反演精度是14ppm，相当于5%。

另外一个PPDF方法精度可以达到精度相当于1%左右，但所有这些方法都会受到气溶胶的影响，气溶胶是目前所有这些方法中最关键的一个因素，也就是影响最大的因素。如何排除气溶胶的影响，这是目前所有大气二氧化碳和甲烷反演的难点。

讲了这么多的反演方法，DOAS方法SCIAMACHY的反演精度大概4-8ppm，如果用最优估计反演法可依达到2.5ppm，TanSat可以达到3.03ppm，OCO精度会高一些，达到1-2PPM等等。

我们讲了很多反演算法，那么都有哪些卫星传感器在天上观测地球，我们可以用它来探测大气中的二氧化碳和甲烷。现在我一一给大家简要介绍一下。

 一是IMG，1996年8月发射的，搭载在ADEOS上面。主要是测量地面的表面温度，大气温度廓线和大气组分，很遗憾在轨时间只有十个月，仅仅用于实验，所以很快就失去控制了。

第二个红外方法探测甲烷的是MOPITT，这是NASA在1999年发射Terra卫星时搭载的传感器，它采用天底方式观测甲烷，它的光谱范围相当于红外，它的星下点分辨率相对粗糙，大概在22×22公里，重复周期为3天。虽然Terra卫星重复周期是每天都有一次，但由于MOPITT的扫描幅宽，所以它的重复周期是3天。大家看到它可以用于探测一氧化碳、甲烷。

MIPAS，这是欧洲ENVISAT卫星上搭载的传感器，ENVISAT是2002年发射的，它采用临边扫描方式，可以测量臭氧、甲烷、二氧化碳，一氧化二氮，它的周期相对时间长一些，35天，星下点分辨率是3×30公里，临边高度是指大气廓线，6~68公里大气的高度。

AIRS是搭载在EOS/Aqua卫星上的光栅式红外高光谱探测，2378个红外光谱通道每天两次全球观测，空间分辨率为13.5公里，可以提供超过全球95%的地区的观测数据。测量二氧化碳的精度误差大概在3~7ppm，低于我们1%的要求，它的最高探测精度可以达到2%~10%。

ACE  是另外一个临边扫描方式的，它是在不同的高度上通过临边扫描方式，它的同步周期是97分钟，光谱分辨率和临边高公里每个间隔，星下点相对来说粗糙一点，26×41.8公里，主要是测量大气层的廓线里面的甲烷和一氧化碳。

TES是2004年6月发射的，在Aura上，它也是一个高分辨率的探测器，能够探测大气温度、水汽、二氧化碳、甲烷等等。它有两种模式，天底和临边。大家可以看到天底就是直着看地球，临边是斜着看地球，它可以测量对流层和平流层的痕量气体，它的重复周期是16天，星下点分辨率天底是5×8公里，临边一个是方向上是2公里，另一个方向上比较粗糙是23公里。

IASI是红外光测量机，它主要是用温度廓线的方法测量二氧化碳，通过它的吸收可以测量臭氧，也可以测量水。

Crls，2011年10月发射的，在Suomi  NPP发射升空的，它有1305个光谱通道，它是AIRS的延续，大家可以看到它的光谱分辨率和波段的范围。

下面一个目前可以业务化运行的TROPOMI，也是现在使用率最高的一个传感器，它是Sentinel-5P，欧空局于2017年发射的，主要用于监测全球大气污染，上面搭载的传感器是TROPOMI，可以测量二氧化氮、臭氧、二氧化硫、一氧化碳和甲烷，它采用的波段包括紫外、可见光、近红外和短波辐射，它的星下点分辨率从紫外21公里到28公里，到可见光波段7×7公里，所以，它的分辨率不太一样，主要取决于采用的哪个波段。

SCIAMACHY是最早比较成功的一个传感器，它能够探测二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、水，它的空间分辨率稍微差一些是30×60公里，它是2002年发射，2012年失去控制，它的很多产品现在仍被大家广泛使用的。

GOSAT是搭载在TANSO-FTS上的，它上面搭载了TANSO的傅里叶传感器，还有一个CAI传感器，这两个传感器主要是通过热红外气体吸收光谱测量二氧化碳和甲烷，GOSAT最早是2009年发射的，在GOSAT是2018年发射的，大家可以看到它能够测量氧气，能够测量二氧化碳和甲烷。

刚才说到GOSAT，GOSAT-2传感器稍微有点提升，它的星下点分辨率变得更小，能够看到更小范围内的情况了，它的幅宽稍微变窄了一点，所以它的回访周期可能会长一些。它也能够测量水、二氧化碳和甲烷。

OCO是2014年发射的，这一颗卫星是太阳同步轨道，重访周期16天，OCO-3号卫星2019年3月发射，与OCO-2同样载荷，空间分辨率非常好1.29×2.25公里，它的优势在于空间分辨率比较高，并采用了天底观测、耀斑和目标三种模式。

我们国家的TanSAT是中国自主研究的首颗全球大气二氧化碳观测科学实验卫星，相当于全球第三颗嗅碳卫星。发射于2016年12月，主要搭载了超光谱光栅光谱仪，还有气溶胶城乡仪和二氧化碳光谱议，它在测量二氧化碳的同时也在测量气溶胶，它可以通过去除气溶胶的影响，提高二氧化碳的反演精度。所以，大家可以目前看到它非常强的一个地方就是空间分辨率是1公里，200×200公里，幅宽只有20公里。

除此之外，在这里给大家介绍一下用近红外的办法探测甲烷的卫星，GHGSat（Greenhouse  Gas  Satellite），这是加拿大的一家公司发射了一颗小卫星“Claire”，这是他们2016年发射的第一颗卫星，未来将发射第二颗同样的卫星，主要用于在比较高的空间分辨率的情况下来测量甲烷的浓度，所以，它的第二颗卫星Iris能够准确的发现更小的甲烷泄露源，这是一个商用卫星。

FY-3D，我国的FY-3D的D星是我国第二代极轨气象卫星的第四颗星，2017年11月发射，它有一个近红外高光谱温室气体监测仪GAS，可以获取二氧化碳、甲烷、一氧化碳的温室气体，有耀斑和天底两个模式，空间分辨率在10×10公里，这是天底和耀斑观测的两个示意图。

最近我国高分（GF）卫星系列里，GF-5是2018年发射，专门用于探测大气的气体成分的光谱仪、温室气体探测仪等等6台载荷，主要是用于获取全球温室气体二氧化碳和甲烷的柱浓度数据，它也有天底和耀斑两种模式，可以测量二氧化碳和甲烷。这个卫星是可以提供比较高的空间分辨率的监测。

刚才讲了很多卫星或者卫星搭载的传感器用于监测二氧化碳，我进行了一个总结，大家可以看到从ENVISAT、GOSAT、OCO-2、TANSAT、GOSAT-2、OCO-3，ENVISAT是欧空局，GOSAT是日本的，OCO是美国NASA，TANSAT是中国中科院、大气所、气象局、科技部。OCO虽是NASA，但每个上面加载的传感器又有所不同，ENVISAT是用SCIAMACHY等等。运行周期ENVISAT开始不再运行了，2012年便开始失去控制，同时其他卫星都还在天上运行。

大家看到重复周期有6天，有3天，有16天，空间分辨率也有很大的差异，OCO的空间分辨率比较高，TANSAT的空间分辨率也非常好。它们可以提供的产品包括柱总量，二氧化碳探测也具有不确定性，ENVISAT是14个ppm，OCO小于1ppm，相对比较高一些。大家有兴趣可以从最后一列的参考文献中，里面对每个卫星都有详尽的数据介绍。

到目前为止，我们讲了很多已经发射的卫星，但是未来还有哪几个准备发射的卫星呢？

第一个是MicroCarb，这是法国和英国合作的，主要用于研究大气中的二氧化碳通量，是欧洲第一颗通过光谱议在可见光近红外波段检测二氧化碳和甲烷的，设计精度1ppm，覆盖每次扫描是4.5公里到9公里，扫描范围是40×40公里的这样一个200公里宽的幅面上，这是法国和英国准备发射的卫星。

MERLIN是德国和法国的合作的，计划今年发射，虽然目前还没有看到信息，它使用的是激光雷达技术，空间分辨率非常好，0.15×0.15公里。

另外还有两个传感器，一个是叫做A-SCOPE，这是欧空局设计的，它是用激光雷达探测二氧化碳，它的设计精度小于1个ppm，幅宽非常宽1000公里。美国宇航局的NASA有一个ASCENDS，它也是探测二氧化碳昼夜季的变化，它主要是研究二氧化碳在全球碳循环中的作用，幅宽大概在100公里，探测精度设计精度小于1ppm，这都是非常高精度的探测的卫星，未来我们就要发射的温室气体探测卫星。

除此之外还有一个GeoCARB，这个计划在2022年左右发射，它的回访周期可以达到8天，空间分辨率4×5公里，可以对特定地区进行两次观测（每天），这个数据主要针对北美，大家可以看到他们探测使用的波段范围。

欧空局还设计了另外一个卫星传感器，主要探测人类活动对大气的影响，使用的其中一个传感器是法国提供的近红外和短波红外光谱议的组合仪器，另外一个探测器是英国提供的，是多角度偏振仪探测器，第三个探测器是比利时提供的主要是研究云成像仪，回访设计周期是5天回访一次。

美国环保协会准备发射一个专门研究甲烷的卫星，它的空间分辨率达到1×1公里，精度希望低于2个ppm，大家可以看到它和TROPOMI现在已经使用的这个卫星的比较，它的探测精度提高了很多。COOL这是一家商用公司，它采用的是20颗小卫星，对对流层的甲烷进行探测，它使用了卫星群，它的范围就会比较大，观测范围比较大，每周可以两次对全球做甲烷的观测。

刚才讲了那么多已有的卫星传感器，现在在天上飞的卫星和传感器，还有一些计划中将要发射的卫星以及搭载的传感器，在这里面回顾一下卫星平台大气测量的二氧化碳和甲烷目前常用的传感器，到SCIAMACHY和TROPOMI这两个常用的传感器产品，目前被大家广泛使用，相对来说它的精度虽然满足不了我们所需要的1%和小于1%，大家在数据覆盖范围和数据稳定上还有很多优势。比如TROPOMI可以稳定的每天给我们提供数据和数据产品，满足了很多应用的需求，所以，这是被大家广泛使用的两个传感器和他们带来的产品。

刚才讲了地基、航空和卫星三种不同平台测量大气中的二氧化碳和甲烷，大家还会想到有没有别的办法呢？也有，就是基于大气模型的二氧化碳和甲烷的浓度模拟。

基于大气模型的二氧化碳和甲烷的浓度模拟

这个主要包括四个方面，是基于模式模拟获取大气中的二氧化碳甲烷浓度数据，但实际上它也是当今获取全球浓度数据的主要方法之一。我们现在在各种不同的报告里看到的，全球的大气二氧化碳、甲烷的数据主要来源是基于大气模型的和数据而得到的数据，在这里我列了四个相对来说比较流行的四个大气模式。

一是GEOS-Chem的模式，它是全球大气三维化学输送模型，对垂直水平方向的大气输送都比较敏感，在研究大气组分成分方面具有最广泛的应用。除此之外GEOS-Chem同化气象资料涵盖了从1979年至今的同化数据，所以这个模型是目前最流行的，换句话说是使用最广泛的模型。

二是HYSPLIT模式，这是由美国国家海洋和大气管理局和澳大利亚气象局在过去20年间联合研发的一种用于计算和分析大气污染物输送扩散轨迹的模型，这个模型主要是用于分析大气污染物的输送和扩散。

三是Carbon  Tracker模式，它的主要作用就是研究碳通量时空变化特征的大气同化模型，用它来估算地表二氧化碳吸收和释放来追踪大气的二氧化碳源汇。这个模型主要是做二氧化碳源汇追踪的。

四是MOZART-4，这个模式主要是针对对流层发布的全球三维化学传输模型，这个模型里包含了一氧化碳、甲烷、碳化物、二氧化硫、臭氧等85种气象化学物种，它能够模拟廓线数据。

这是四个比较广泛为大家使用的大气模型或者模式，都可以用于二氧化碳甲烷的数据同化和数据模拟，这就是基于大气模式、大气二氧化碳和甲烷的模拟。

展望

今天到目前除了介绍天空地大气二氧化碳和甲烷浓度观测之外，我们还介绍了如何用大气模型的模式模拟方法来估算大气中的二氧化碳和甲烷，最后我展望一下到目前为止大家可以看到全球有54个国家已经实现了碳达峰、碳中和，排名前十的排放国家中有7个已达峰，有2个实现了碳中和。

比如英国要求碳达峰的时间是1991年，它承诺零碳时间是2050年，欧洲的法国、瑞典、丹麦是在上世纪90年代实现了碳达峰，承诺的零碳时间也基本在2040~2050年。我国承诺在2030年碳达峰，2060年碳中和。

大气中的二氧化碳甲烷检测和碳汇测定要求高精度的探测传感器和高精度的反演算法，精确的卫星反演和大气输送模式最终都是为了全球区域碳通量估计，同时在高精度反演的时候，特别是卫星数据用于反演全球的二氧化碳和全球大气中二氧化碳和甲烷中面临着一些云污染，在可见光、近红外和远红外的方式都要受到云污染，气溶胶是高精度反演中最主要的一个因子，还有地表参数，地表参数的获取不确定等等因素的干扰，这都对于碳监测，换句话说科学精准的知道大气中的二氧化碳和甲烷有很多的工作需要我们来做，怎么样去除这些因素的影响。

2019年IPCC明确了大气观测要通过自上而下的方法对温室气体排放清单进行支撑和验证。近期，我们就在探索高轨静止卫星，目前为止我讲的所有的卫星里都是极轨卫星，没有静止卫星，如何把静止卫星和极轨卫星相结合，如何把主动雷达和被动热红外、红外探测相结合，在未来还需要不断的去改进反演算法，需要不断的改进辐射传输模式，只有这样才能够生产出高时间分辨率、高空间分辨率和高精度的全球组网的观测数据产品。

谢谢大家聆听我今天的报告。

问答环节

问：遥感监测技术现在是否成熟？有无现实案例？

薛勇：遥感监测技术目前来说处于一种成熟但精度不高的状态。成熟，刚才已经在里面分析了，比如像最早的SCIAMACHY在卫星上的，到现在在哨兵卫星上的TROPOMI，它们能够非常稳定的提供大气的二氧化碳甲烷等等卫星反演参数和产品，但是比较遗憾的是，一是它们的精度达不到我们需要的1%，二是它们的空间分辨率对于研究大尺度，比如国家和区域、省还是可以满足需求的，但是对于研究小区域的比如一个城市，一个发电厂，一个煤矿等等目前还没有非常成熟的遥感技术。

现实案例刚才我在讲座中已经给大家说到了，现在用于很多二氧化碳的估算，包括最近一些大气污染等等，这里面已经广泛的使用了TROPOMI的数据，包括发表了一些成果和数据产品这都有现实案例，这是第一个大问题。

问：遥感监测技术和IPCC计算公式相比，哪个数据更精确？成本更低？

薛勇：这个问题其实更准确的是地基和卫星的两种不同的方式，IPCC更主要采用的地基和模式融合同化，所以，IPCC的计算相对来说更准确，遥感监测技术由于传感器本身的原因，它的精度还达不到我们想要的小于1%，现在很好的传感器可以达到2%、5%，但达到1%相对来说还是很困难的，还有很多事情需要做。

谁的成本更低？遥感技术的很大的优势就是成本非常低，一颗卫星发射上天之后可以长时间的连续的观测地球，而这种长时间连续观测是对整个地球的观测，大家可以看到在开始的时候，介绍地面站点，不管是哪个网络，它的观测网的地面站点还是非常有限的，好的观测网可能有几百个站点，但是大家可以想像，一个地球几百个站点就好像大海里的几根针一样，所以要想把观测站点加密，那么就要成本增加，所以，这一点来说遥感技术的成本会比IPCC计算公式的方式和地基观测方式的成本低非常多。

目前的趋势是希望，其实IPCC最近的报告也已经开始了，就是把遥感数据、地面数据利用大气模式做同化，这样一方面保留了地面数据的高精准和精确，同时又可以兼顾整个地球的一张图，一个观测图谱，这种低成本的观测手段。所以，这是目前大家的趋势，叫做天空地协同一体化的情况下来进行大气中间的二氧化碳和甲烷的观测。最后用于IPCC报告里面都通过大气模式进行同化，来达到更精准更准确的全球或者区域的大气中的二氧化碳和甲烷。

问：遥感技术是否具有经济性？

薛勇：是。对于遥感来说，目前已经有加拿大的公司在运行了监测大气甲烷的遥感卫星，已经商业化了，换句话说它的商业卫星会根据你的需求进行数据定制，这种数据定制完全是根据要求的空间位置，时间点调整卫星对于这种特殊的或者是指定的一些区域进行特定时间内的观测。当然这就是商业化的运行。

还有刚才讨论未来卫星发展中也提到了有商业公司他们准备发射一个卫星群，由于卫星观测要想有高空间分辨率，扫描的幅宽就会窄，扫描幅宽窄意味着回访周期就长，为了克服这种弊端，美国有公司已经开始规划了发射一个小卫星群，换句话说它就是有很多卫星在不同的运行轨道上针对每个地区，比如做碳交易、发电厂、小区域碳排放量的宏观监测，相当于提供了第三方的监测，而这个监测是非常精准的监测。

所以，在这上面来说具有很好的商业价值。当然这个技术是否具有经济性，我理解第一点是有经济价值，已经有公司在盈利和运作这种方式。

经济性还有另外一个理解，现有卫星的发射造价包括刚才提到的，有大的传感器，有小的传感器，目前小卫星的发射也非常普遍了，从发射成本、传感器的造价角度来理解经济性，目前已经很经济了。因为有这种很经济的小卫星的模式，同样也激发了商业上的这种经济，所以就有公司会从这里面发现一些商机，这是我对第三个问题是否具有经济性的两种不同的解读和理解，不知道大家采用哪一个。

这是我对提到的几个问题的直接的回答。

本文来自微信公众号：人大生态金融（ID：ecofinance2014），作者：薛勇