在中科院大氣物理研究所研究員劉毅的辦公室中，放著(zhe)一個縮小版的全球二氧化碳監測科學(xué)實驗衛星（以下簡稱碳衛星）模型。别看它身形小，卻承擔著(zhe)監測全球二氧化碳濃度分布的“大”使命。

      從國(guó)外專家口中的“impossible”到2016年成(chéng)功發(fā)射，碳衛星已經(jīng)在太空中工作了5年多。作爲我國(guó)首顆、全球第三顆碳衛星，它實現了我國(guó)在空間溫室氣體高精度監測的從無到有，爲應對(duì)全球氣候變化貢獻了科技力量。

      今年7月，劉毅團隊獲取了中國(guó)碳衛星首個全球碳通量數據集和地圖，這(zhè)标志著(zhe)我國(guó)具備了全球碳收支的空間定量監測能(néng)力，是繼日本、美國(guó)之後(hòu)的第三個具備該技術的國(guó)家。

精準監測碳排放

      今年11月，在聯合國(guó)氣候變化公約第26次締約方大會(huì)閉幕之時(shí)，多方代表簽署了《格拉斯哥氣候公約》，努力將(jiāng)全球升溫控制在1.5攝氏度，以防止全球災難性氣候事(shì)件發(fā)生頻率大幅上升。

      溫室氣體排放導緻全球氣候變化已經(jīng)成(chéng)爲國(guó)際社會(huì)共識，在節能(néng)減排刻不容緩的形勢下，爲了達到《巴厘路線圖》的“可測量、可報告、可核查”量化減排目标，世界各國(guó)政府都(dōu)迫切希望能(néng)有切實可行的測量方法和技術。2009年，日本成(chéng)功發(fā)射了全球首顆碳衛星GOSAT；2014年，美國(guó)航空航天局（NASA）成(chéng)功發(fā)射了OCO-2。

      爲了提升我國(guó)在氣候變化談判等問題上的國(guó)際話語權，建立和完善溫室氣體排放統計制度，2011年，在“863”計劃的支持下，“全球二氧化碳監測科學(xué)實驗衛星與應用示範”重大項目（中國(guó)碳衛星）正式立項。

      這(zhè)是一項多部門合作的任務，中科院負責工程總體，中科院國(guó)家空間科學(xué)中心、中科院微小衛星創新研究院、中科院長(cháng)春光學(xué)精密機械與物理研究所、中科院大氣物理研究所和中國(guó)氣象局國(guó)家衛星氣象中心等多家單位共同承擔了科學(xué)實驗衛星計劃。

      在碳衛星的研發(fā)過(guò)程中，非常重要的一環就(jiù)是建立溫室氣體衛星觀測的模拟和反演系統（IAPCAS），將(jiāng)衛星的原始觀測資料“翻譯”成(chéng)可供科學(xué)家使用的數據。

      劉毅表示，碳衛星目标是實現全球大氣二氧化碳柱平均幹空氣混合比（XCO2）的高精度監測，而衛星遙感大氣二氧化碳面(miàn)臨的主要挑戰是精度要求高、幹擾因素多、反演難度大。

      國(guó)家需求就(jiù)是科技攻關的方向(xiàng)，劉毅帶著(zhe)中科院大氣物理所副研究員楊東旭等團隊中的年輕人，全身心投入到工作中。

      “我們從科學(xué)問題倒推碳衛星需要什麼(me)樣(yàng)的反演系統，全鏈路的思想貫穿了整個IAPCAS的研發(fā)過(guò)程。當時(shí)楊東旭的博士論文還(hái)在做氣溶膠相關課題，碳衛星的需求也讓他轉向(xiàng)了這(zhè)個新的領域。”劉毅說。

      最終，楊東旭研發(fā)了衛星遙感反演算法，高精度模拟太陽輻射在大氣中的傳輸過(guò)程，充分優化氣溶膠光學(xué)性質随波長(cháng)的變化以及卷雲的連續吸收等特征，顯著降低誤差，提高反演精度，還(hái)能(néng)大幅提高計算效率。

爲全球氣候提供科學(xué)依據

      研制碳衛星絕非孤軍作戰，不僅實現了多個部門的密切配合，也實現了“863”計劃管理模式和航天工程管理模式的融合。2016年12月22日淩晨，萬衆矚目的碳衛星終于迎來了升空的時(shí)刻，這(zhè)也是劉毅第一次在現場看衛星發(fā)射。

      “淩晨的酒泉很冷，可我們心裡(lǐ)熱乎乎的，我國(guó)的碳衛星絕不是簡單的copy，有自主知識産權。”劉毅說。

      在衛星完成(chéng)在軌測試後(hòu)，劉毅團隊要利用反演算法解析觀測數據，從而獲得全球二氧化碳分布圖。2017年的地球觀測組織（GEO）年度大會(huì)即將(jiāng)舉辦，大家都(dōu)希望能(néng)在會(huì)上公布碳衛星的“首秀”成(chéng)果。

      劉毅回憶，當時(shí)人手緊張、時(shí)間也緊迫，團隊成(chéng)員的日子都(dōu)是按“小時(shí)”計算，終于在2017年9月底拿出了首幅全球二氧化碳分布圖，平均精度達到了2.11 ppm。成(chéng)果一經(jīng)發(fā)布，受到與會(huì)的美國(guó)航天局、日本宇航研發(fā)機構和歐洲空間局等國(guó)外研究機構代表的高度關注。

      随著(zhe)時(shí)間推移，更多的成(chéng)果接踵而至。2020年，劉毅團隊改進(jìn)了數據質量和反演算法，將(jiāng)數據精度提升到1.5ppm的國(guó)際先進(jìn)水平，同時(shí)首次利用物理算法反演獲得了陸地生态系統太陽誘導葉綠素熒光數據産品，2021年計算獲取了中國(guó)碳衛星首個全球碳通量數據産品。

      “全鏈路的思想起(qǐ)到了關鍵作用。”劉毅說，“我們的工作壓力大，也要感謝團隊裡(lǐ)可愛的年輕人，希望他們能(néng)夠盡快成(chéng)長(cháng)，[R1] 承擔更多的國(guó)家級任務，研究出更多創新性成(chéng)果。”

走向(xiàng)開(kāi)放共享

      碳衛星的底色是合作和開(kāi)放，2017年我國(guó)碳衛星數據産品對(duì)全球用戶免費開(kāi)放，中國(guó)成(chéng)爲繼日本、美國(guó)之後(hòu)，第三個可以提供碳衛星數據的國(guó)家。

      “但是，更大的挑戰在于如何用好(hǎo)衛星遙感這(zhè)一探測手段，服務全球盤點和我國(guó)雙碳目标的實現。”劉毅說。

      要實現全球統一、無偏差的碳收支核算，僅僅有目前的三顆衛星是不夠的。根據政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）制定的《2006年IPCC國(guó)家溫室氣體清單指南》，各國(guó)清單須按照其方法進(jìn)行編制；2019年IPCC對(duì)清單指南進(jìn)行了補充修訂，增加了利用大氣觀測支撐清單編制與驗證，這(zhè)就(jiù)爲我國(guó)發(fā)展新一代溫室氣體監測衛星提出更爲迫切需求。

      “國(guó)别清單的誤差、偏差、透明度等問題依然無法避免，因此在研發(fā)衛星同時(shí)，更要按照科學(xué)規律使用好(hǎo)衛星數據，碳中和不是零和博弈，需要全世界各個國(guó)家共同努力、合作共赢。”劉毅說。

      當前，歐洲也已經(jīng)將(jiāng)碳衛星列入計劃，“我們希望通過(guò)這(zhè)顆衛星和美國(guó)、日本等其他國(guó)家合作形成(chéng)碳衛星‘虛拟星座’，聯合觀測大氣二氧化碳，爲全球氣候變化提供更加豐富的監測數據。”

      大氣二氧化碳是導緻氣候變化的主因之一，其增與減涉及大氣圈、生态圈、岩石圈、海洋圈、人類圈等多個圈層的相互聯系，科學(xué)利用觀測和模型剖析二氧化碳在這(zhè)些圈層間的循環是制定前進(jìn)方向(xiàng)的必經(jīng)之路。

      目前，新一代碳衛星的設計與研發(fā)已經(jīng)提上日程，劉毅表示，未來將(jiāng)面(miàn)向(xiàng)我國(guó)雙碳目标的監測需求、國(guó)際社會(huì)的盤點需求，助力人類命運共同體實現“碳中和”。