碳卫星

2016年中国全球大气二氧化碳观测实验卫星

碳卫星（代号：TANSAT）是由中国研制的首颗全球大气二氧化碳观测科学实验卫星。

研制历程

历史背景

碳卫星全称“全球二氧化碳监测科学实验卫星”，是由中国自主研制的首颗全球大气二氧化碳观测科学实验卫星。该颗卫星搭载了一体化设计的两台科学载荷，分别是高光谱二氧化碳探测仪以及起辅助作用的多谱段云与气溶胶探测仪，由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所（以下简称：中科院长春光机所）负责设计研制。

面对全球气候变化，减少二氧化碳等温室气体的排放成为必然选择。碳排放的量化监测是世界各国最终实现温室气体减排的重要技术基础，在所有的碳排放量监测手段中，只有星载高光谱温室气体探测技术既能对二氧化碳等温室气体浓度进行高精度探测，又能获取全球各区域的气体浓度分布数据。正因如此，各发达国家纷纷研发专用卫星。

为有效掌握全球二氧化碳分布情况，中国“十二五”国家863计划设置了“全球二氧化碳监测科学实验卫星与应用示范”重大项目（简称“碳卫星”）。由于碳卫星技术难度极高，世界上仅有两颗卫星从太空监视地球温室气体排放：2009年，日本发射了世界首颗温室气体观测卫星（GOSAT）。同年，美国的碳卫星（OCO-1）首次发射失败，后于2014年再次发射其替代者OCO-2。

研制进程

中国碳卫星是“十二五”期间，由科技部立项，中科院负责工程总体，中科院国家空间科学中心、中科院微小卫星创新研究院、中科院长春光学精密机械与物理研究所、中科院大气物理研究所和中国气象局国家卫星气象中心等多家单位共同承担的科学实验卫星计划，

2010年，中华人民共和国科学技术部设立了“全球二氧化碳监测科学实验卫星与应用示范”重大项目，计划发射一颗搭载两台有效载荷的碳卫星，并在中国范围内公开招标。中科院长春光机所在两台载荷的分开招标中竞标成功。

2015年12月1日，科研人员在中科院长春光机所高光谱实验室对“碳卫星”高光谱探测仪进行上电前状态检查。

2016年5月，碳卫星正式出厂，卫星搭载了一体化设计的两台科学载荷，分别是高光谱二氧化碳探测仪以及起辅助作用的多谱段云与气溶胶探测仪。

2022年10月，中国科学院大气物理研究所中国碳卫星研究团队联合芬兰气象研究所团队，首次利用中国碳卫星进行观测定量识别和计算城市碳排放，证实了中国碳卫星具有城市级别碳排放监测的能力。

系统组成

总体设计

碳卫星以二氧化碳遥感监测为切入点，建立高光谱卫星地面数据处理与验证系统，形成对全球、中国及其它重点地区二氧化碳浓度监测能力，从而使中国为应对全球气候变化做出贡献。

碳卫星运行于700千米太阳同步轨道，科学目标是获取全球和区域二氧化碳分布图，精度优于4ppm（百万分之四），其精度已达到高光谱大气痕量气体探测方面的国际先进水平。

性能参数

任务载荷

飞行任务

碳卫星的任务目标是实现全球大气二氧化碳柱平均干空气混合比（XCO2，下文简称“浓度”）的高精度监测，为碳排放科学研究提供卫星资料。

载荷设备

1、高光谱温室气体探测仪

碳卫星搭载了一台高空间分辨率的高光谱温室气体探测仪，探测仪的工作原理，是在可见光和近红外谱段，利用分子吸收谱线探测二氧化碳等温室气体浓度。高光谱二氧化碳探测仪设有3个通道，其中，在760纳米的O2-A通道的光谱分辨率最高可以达到0.04纳米，能够捕获植被日光诱导叶绿素荧光对Fe（758纳米）和KI（771纳米）两个太阳弗朗霍夫暗线的填充效应，从而不仅能对全球大气中二氧化碳浓度进行动态监测，还能高精度反演植被叶绿素荧光。卫星尺度叶绿素荧光能够精确估算全球植被光合生产力，结合同步反演的大气二氧化碳浓度数据，二者协同将能够极大提升全球碳源汇观测能力。

2、云与气溶胶偏振成像仪

碳卫星还搭载了一台多谱段的云与气溶胶偏振成像仪，成像仪可以测量云、大气颗粒物等辅助信息，为科学家精确反向推演二氧化碳浓度剔除干扰因素，还可以帮助气象学家提高天气预报的准确性，并为研究PM2.5等大气污染成因提供重要数据支撑。

作为中国首颗碳卫星载荷，高光谱温室气体探测仪、云与气溶胶偏振成像仪为温室气体排放、碳核查等领域的研究提供基础数据，为节能减排等宏观决策提供数据支撑，增加了中国在国际碳排放方面的话语权。

运行历程

发射入轨

2016年12月22日3时22分，中国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将中国首颗全球二氧化碳监测科学实验卫星发射升空。

2017年1月12日，碳卫星入轨后成功开机；同月13日，碳卫星转入在轨观测任务模式并获取首批观测数据，成为继日本GOSAT和美国OCO-2后，国际上第三颗具有高精度温室气体探测能力的卫星。

在轨飞行

2017年8月31日，经过8个月的在轨测试，碳卫星正式在轨交付运营。

2017年10月24日开始，碳卫星（全球二氧化碳监测科学实验卫星）数据正式对外开放共享。社会公众可登录中国国家卫星气象中心网站免费进行数据检索和下载，标志着继美国、日本之后，中国成为第三个可以提供碳卫星数据的国家。

2018年2月，中国科学院大气物理研究所（简称：中科院大气所）通过地球观测组织（GEO）年度大会，展示了中国碳卫星观测的首幅全球二氧化碳分布图，表明中国碳卫星将为气候变化的研究提供数据支撑。该成果受到与会的美国航天局（NASA）、日本航天局（JAXA）和欧洲空间局（ESA）等国外研究机构代表的高度关注。

2018年2月23日，中国科学院测量与地球物理研究所研究员刘良云团队利用中国发射的碳卫星数据，开展了全球植被叶绿素荧光卫星反演研究，成功获得了2017年下半年的全球叶绿素荧光产品。

观测成果

碳卫星每天绕地球飞行约14圈，探测宽度20千米。在绕地球两极运行的过程中获取全球二氧化碳浓度信息，以准确展示人类活动与自然体系是如何排放和吸收该种温室气体的。

碳卫星转入在轨观测任务模式，包括碳卫星高光谱二氧化碳监测仪获取、经过地面处理生成的碳卫星第一组大气氧气和二氧化碳吸收光谱图。该图是中国从太空获取的第一组大气氧气和二氧化碳吸收高分辨率光谱图。

碳卫星的观测数据供中科院大气所承担中国碳卫星二氧化碳浓度反演算法研发、碳源汇同化系统研发和卫星数据的科学应用等工作。其中卫星遥感大气二氧化碳的主要挑战是精度要求高，干扰因素多，反演难度大。在国家高技术研究发展计划（863）“中国碳卫星”和中科院战略性科技先导专项“碳专项”等的资助下，大气所团队核心成员、博士杨东旭研发了卫星遥感反演算法（Institute of Atmospheric Physics Carbon dioxide retrieval Algorithm for Satellite observation-IAPCAS）。利用该反演算法解析中国碳卫星观测数据，获得了首幅全球二氧化碳分布图。在2017年4月分布图中，可以看出春季由于人为排放形成的北半球二氧化碳浓度高、南半球浓度低的特征；对比2017年4月和2017年7月分布图，清晰地显示出由春入夏北半球二氧化碳浓度降低的趋势，表明了生态系统随季节变化的“固碳”作用；分布图也反映出人类活动频繁地区二氧化碳浓度高的现象。

中国碳卫星数据开放，社会公众用户登录国家卫星气象中心网站后，可检索下载包括碳卫星的两个核心仪器数据，即碳卫星高光谱温室气体探测仪（HSCO2）云和气溶胶探测仪（CAPI）两台仪器的1级数据。

2021年8月15日，中国科学院大气物理研究所介绍，基于中国第一颗全球二氧化碳监测科学实验卫星中国碳卫星的大气二氧化碳含量观测数据，来自该所等单位的研究人员利用先进的碳通量计算系统，获取了中国碳卫星首个全球碳通量数据集。

2022年10月，从中国科学院大气物理研究所获悉，该所碳卫星研究团队联合芬兰气象研究所团队首次利用中国碳卫星(TanSat)观测定量识别和计算城市碳排放，证实了中国碳卫星具有城市级别碳排放监测的能力。研究结果于10月25日在线发表在SCI期刊《大气科学进展》上。

总体评价

碳卫星的研制与发射意义重大，解决了中国空间二氧化碳观测从无到有的问题，奠定了未来对二氧化碳空间观测的基础，提供了多部门协同创新工作的新模式。

碳卫星的首批观测数据的获得表明碳卫星与地面应用系统均运行良好。卫星平台按指令准确实现了各种复杂指向模式，主载荷高光谱探测仪工作稳定、功能正常、状态良好，为后续科学家开展大气二氧化碳高精度反演打下了坚实基础。

碳卫星作为中国自主研制的首颗全球大气二氧化碳监测科学实验卫星，搭载了一体化设计的两台科学载荷，在中国国内首次实现了机动敏捷的星地一体化多模式卫星平台、星载高光谱二氧化碳探测技术、多谱段云与气溶胶偏振探测技术。其中，高光谱定标和高辐射测量精度的全球二氧化碳探测仪填补了中国天基高光谱温室气体测量的空白，研制难度高、技术复杂，综合技术性能达到国际先进水平，部分指标达到国际领先水平。

中国发射的碳卫星通过地面数据接收、处理与验证系统，定期获取全球二氧化碳分布图，使中国在大气二氧化碳监测方面跻身国际前列。

碳卫星为中国获取了高精度、大尺度的第一手气候数据，能够为政府间决策提供有力的评估结果，中国的话语权将得到极大提升，在全球气候进程中扮演更重要的角色。

TanSat卫星属于中国第一代温室气体监测专用卫星，中国的二氧化碳观测从无到有，进而达到国际先进水准，是它迈开了重要且艰难的第一步。TanSat的工作状态良好，超过其原定三年的设计寿命。未来，中国还将研发新一代的温室气体监测卫星，服务于全球和中国双碳目标（2030碳达峰，2060年碳中和）的实现。（中国科学院、中国气象局、《知识就是力量》评）

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