大气物理研究所博士生专业课《全球变化与碳循环》分组项目论文选题：卫星遥感CO2的发展及其应用前景召集人：闵敏组别：13组员总数：4组员名单：闵敏蔡兆男胡开明邵璞日期： 2008年 4 月 27日卫星遥感CO2的发展及其应用前景闵敏，蔡兆男，胡开明，邵璞中国科学院大气物理研究所，北京 100029摘要: 本文结合国内外卫星遥感CO2的研究进展，较为详细的介绍了即将发射的探测CO2卫星(Orbiting Carbon Observatory, OCO)计划。

第二部分主要介绍了这颗卫星的传感器特点和研发历程。

第三部分详细介绍了影响传感器探测精度的几大因素，其中包括卷云，气溶胶，温度和地表压力。

第四部分对现在正在运行的SCIAMACHY卫星的观测值做了几组地面验证，结果显示卫星数据系统性的偏低于地面观测值。

总之，新型的OCO卫星结合已有的卫星数据将可能为CO2的研究提供有力的支持。

关键词：卫星遥感，CO2，传感器1. 引言IPCC2007年的评估报告显示，CO2造成的正的辐射强迫约为1.66W/m2,是最重要的温室气体（IPCC 2007）。

所以CO2的全球监测对于全球气候变暖的研究有重要意义。

传统的地基探测方法虽然具有很高的可靠性，但是都是单点的测量，缺乏对全球大范围、实时探测的能力和统一的探测方法。

所以发展卫星观测CO2的技术是势在必行的，但是由于CO2在大气中含量较低（仅380ppmv）和其分子光谱吸收波段的特殊性以及对CO2进行精确测量（精度<0.3%）的严格需求等都大大限制了CO2卫星探测技术的发展。

到目前为止，还没有业务运行用于的探测CO2的卫星。

随着传感器技术和反演算法的不断进步，探测CO2的卫星遥感技术日渐成熟，NASA（美航总局）将在2008年12月15日发射一颗名为Orbiting Carbon Observatory(OCO, )的卫星进行全球性的CO2探测（见图1），这将为CO2的研究提供大好的契机，为最终揭开CO2这种温室气体的神秘的面纱打下坚实的基础。

图1 未来的OCO卫星示意图本文结合相关资料详细介绍CO2遥测技术的发展与星载探测CO2的应用前景。

主要的内容有：①．介绍用于探测CO2传感器的能达到的基本要求和研发历程。

②．简要的探讨星载探测CO2的主要的技术思路，以及气溶胶，云，温度和地表气压对CO2反演精度的影响。

③. 对正在运行的欧洲空间局的SCIAMACHY卫星部分CO2产品数据进行地面验证。

④．讨论CO2探测技术面临的挑战，就未来的探测计划提出相关的展望。

2. 传感器2.1. 探测CO2的基本要求首先，为了对全球范围内的CO2进行探测，卫星传感器的水平扫描分辨率要达到1°×1°的要求，只有达到这个要求才能基本满足对区域性CO2特征进行研究。

其次，是探测精度要低于1ppmv，也就是说相对于380ppmv大气CO2的平均浓度来说大概要保证在0.3%的误差范围内。

这颗即将诞生的卫星使用的探测方法与反演算法和大部分观测其他气体的卫星采用的被动式差分光谱吸收法一样。

纵观卫星遥感气体的发展史，还没有一种气体的卫星探测能到达如此高的精度。

所以这对于探测CO2的传感器和反演算法的研发是一个巨大的挑战。

2.2. 研发历程首先是探测波段的选择，为了达到>0.3%的误差，所以选择合适的探测波段是十分重要的。

在太阳辐射中，CO2存在一系列的暗光谱波段和联合光谱波段。

其中2.0，1.6和1.4μm图2. CO2探测波段的选择, 其中CO2的透过率是蓝色线，水汽是红色线（Mao et al. 2004）吸收波段太弱，2.7μm波段和水汽吸收波段重合，而中心波段4.3μm在太阳辐射范围中相对不很重要[1]。

在这里未来的OCO卫星计划将选择了1.58μm波段作为传感器的探测波段[2]，见图2。

因为在这个波段的CO2透过率（蓝色线）相比与水汽的透过率（红色线）是最大的，所以最能满足探测精度的需求。

图3. 传感器室内测试图图4. 传感器外场试验图在波段选择好后，NASA的OCO卫星计划研究组进行了室内和外场的实验。

首先进行传感器的室内稳定性测试（见图3）[4]，实验采用30cm的吸收池进行了几个小时的稳定性测试，测试的要求是光谱的漂移要小于0.05%。

最后的结果是室内测试达到了这个标准，这也为未来的卫星观测任务的顺利完成打下基础。

在室内实验成功后，NASA进行了一系列的外场实验（图4）[4]。

外场实验的目的在于测试传感器是否能适应对现实环境下的CO2准确观测。

其中在威斯康辛和科罗拉多都进行了高塔的观测试验，并预计在2008进行机载探测的试验。

室内外的传感器测试试验都是由NASA的碳循环和生态系统科学小组所领导的。

3. 影响因素分析大气中的云和气溶胶以及水汽对激光光谱的吸收都会对星载传感器探测CO2的精度产生一定的影响[2]。

NASA的CO2卫星科学小组选择了1.58μm作为探测波段已经将水汽对光谱的影响降到了最低，所以现在最大的问题就是云和气溶胶对探测波段的影响。

从图4[2]可以看出传感器下卷云对太阳辐射过程的影响，大量的散射辐射将直接影响探头接受到的辐射图4. 传感器下云对太阳辐射过程影响的示意图值，从而影响对CO2的反演计算。

从图5（选自毛建平(NASA)的PPT）的模拟结果分析，卷云对传感器接受到的反射辐射的影响是最大的，但是不同的气溶胶类型对其影响是CO2的不一样的。

大颗粒的海洋性气溶胶对辐射的影响是最大的，其次是尺度次之的乡村型气溶胶，最小的是尺度最小的城市型气溶胶[2]。

CO2的吸收系数明显依赖于温度[3]，反射的热辐射明显要低于大气所释放的热红外辐射。

利用态的温度廓线来计算大气红外辐射对于CO2的反演是不合适的，将实时探测的温度廓线带入辐射传输方程计算大气红外辐射才能减小观测误差，所以发展较为成熟温度探测器是十分必要的（目前已经有一定的发展，Aqua卫星上搭载的Atmospheric Infrared Sounder (AIRS)已经有较好的发展）。

图5. 卷云和不同气溶胶对反射辐射影响的模拟（Mao et al. 2004）不同地域的不同海拔和地表压力都将大大影响柱CO2总量的反演[2]。

由于地表测站不能覆盖全球，所以地表压力不能够准确的提供，这就使得气压的压致增宽影响了CO2的影响。

为了减小压力变化对反演的影响，所以利用对压力敏感性较小的O2的762nm波段作为参考来辅助计算地表压力，这样可以减小反演误差。

4. SCIAMACHY卫星数据验证欧空局发射的SCIAMACHY卫星是目前唯一能够探测CO2的卫星。

这颗卫星采用WFM-DOAS（Weighting Function Modified Differential Optical Absorption Spectroscopy）反演技术基于线性辐射传输模式和低阶多项式拟合归一化太阳辐射的最小二乘方法，利用近红外光谱数据反演大气CO2柱浓度。

但是它的探测误差仅仅小于1%，所以不能很好的满足对CO2精确的研究。

下面是我们做的几组地面验证的比较。

见图6-9利用相应地区地面观测站的数据进行了地面验证。

首先是对36.53ºN,126.32ºE 处的数据做了下地面验证，见图6。

可以看出此亚洲地区的地面观测数据系统性的高于卫星观测值。

只是在7月份的观测有较好的一致性，其他时期的偏差都相对较大。

图7是非洲地区23.27ºN, 5.63ºE 处的地面观测的地面验证，和图6一样也是卫星值系统性的低36.53ºN, 126.32ºE, 47m图6. 36.53ºN, 126.32ºE 处的地面验证于地面观测值，但是相对偏差要小于图6的。

图8的19.28ºS, 147.05ºE 地区属于南半球澳大利亚地区，该地区的地面验证基本与前两幅图一样，卫星观测值系统性的低于地面值，但23.27ºN, 5.63ºE, 2710m图7. 23.27ºN, 5.63ºE 处的地面验证是在3月份却出现了卫星值高于地面值的情况。

图9是19.28ºS, 147.05ºE 处的地面验证，除了3月和4月以为全部都低于地面观测值，而且相对偏差较大。

从这四个站点的地面观测来看，SCIAMACHY 卫星的观测数据都基本系统性的偏低于 地面数据，而且偏差相对较大。

由此正面该卫星不能很好的进行CO 2的的研究，发展新型的OCO 卫星迫在眉睫。

19.28ºS, 147.05ºE, 2m图8. 19.28ºS, 147.05ºE 处的地面验证图9. 36.00ºN, 139.18ºE 处的地面验证5. 结论从SCIAMACHY卫星的观测值系统性的低于地面验证可以看出，该卫星不能很好的胜任CO2的研究工作。

新型的OCO卫星在传感器探测精度上的大大提高将能够满足人们未来对CO2的研究。

致谢：感谢NASA Langley中心的毛建平博士给予的大力帮助和对新型的OCO卫星的资料的详细介绍，并提供部分图片（图3，图4）。

同时感谢世界气象组织的WDCGG工作组提供的 CO2 地面观测值和德国Bremen大学的SCIAMACHY/WFM-DOAS 科研小组提供的SCIAMACHY 卫星数据产品。

参考文献：[1] Liou, K. N., 2002, An introduction of atmospheric radiation. Second Edition, Academic Press, San Diego,157[2] Mao, J. P. and Kawa, S. R., 2004, Sensitivity studies for space-based measurement of atmospheric totalcolumn carbon dioxide by reflected sunlight. Appl. Opt. 43(4), 914-927[3] I. Heaton, 1976, Temperature scaling of absorption coefficients. J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 16,801–804[4] James B. Abshire, et al., 2007: “Laser Sounder for Global Measurement of CO2 Concentrations in theTroposphere from Space”, EGU, Vienna, Austria, April 15-20附录：组员分工清单序号姓名班级分工（具体某一部分工作及论文章节）1 闵敏07博撰写全文，组织调研和处理分析数据。