近日，我院精密机械与精密仪器系张成歆特任副研究员、刘诚教授团队围绕我国首颗碳卫星（TanSat）反演所面临的技术难题，历时五年自主开发了适用于多种观测模式和地表的大气 CO2反演技术，首次实现了占全球总表面71%的海洋大气CO2高精度探测。其中，碳卫星天底（nadir）和耀斑（sun-glint）观测模式下的CO2探测精度分别达到了1.28和1.19 ppm，CO2空间覆盖率达到了日本GOSAT卫星的3.5倍，与美国OCO-2卫星的同步观测结果差异在0.16%之内。自主研发的国产碳卫星遥感结果准确性经国际同行专家严格评审，最终以“First TanSat CO2 retrieval over land and ocean using both nadir and glint spectroscopy”为题发表于遥感领域国际顶级期刊《Remote Sensing of Environment》（IF=13.5）。
超光谱卫星的碳监测技术凭借非接触式、观测范围广、采样频率高、时空连续性强、探测成本低等优势成为了全球大气CO2探测最重要的手段之一。目前，突破国产碳卫星的高精度监测瓶颈是助力我国“双碳”重大战略实施的关键技术。我国首颗碳卫星TanSat是继日本GOSAT和美国OCO-2两颗 “标杆卫星”后全球第三颗“嗅碳”卫星。自2016年12月发射以来，从TanSat一级光谱数据中获取全球尺度高精度CO2浓度产品的研究一直是国内的热点。但此前受限于载荷性能衰减、光谱信噪比不足、海洋区域反照率低等因素，相关的研究成果仅局限于天底模式的陆地观测，而耀斑模式和海洋区域的CO2反演长期处于空白。
在本研究中，研究团队全面评估了TanSat的在轨仪器特性，完成了一系列关键技术的攻关，研发了针对TanSat光谱特征的在轨波长二次定标修正技术、近红外辐射传输模式修正技术、最优反演配置自适应更新技术、双通道同步遥感反演技术等，解决了TanSat光谱波长偏移、辐亮度偏差、光谱噪声、反演窗口不稳定等问题，有效地提升了光谱质量，大幅度提高了反演的成功率和准确性。同时，团队全面改进和完善了近红外气体反演算法的配置和参数，如构建高时空分辨率的先验气体参考谱数据库、重建高精度太阳辐照度光谱、建立双反演通道多维大气质量因子查找表等。最终，团队首次实现了国产一代碳星多种观测模式下全球CO2的高精度反演工作，反演结果各项性能指标与国际最新一代碳监测卫星产品相当。
目前，全球首轮“碳盘点”已经开启，作为一个负责任大国，我国担任着重要角色，CO2的全球尺度天基观测的重要性日益凸显出来，这既是重要机遇也是挑战。本研究成果将促进构建独立自主的国产卫星的全球CO2业务监测体系，为顺利完成全球“碳盘点”提供基础数据支撑，助力“碳达峰”和“碳中和”目标的早日实现。下一步，团队将立足下一代国产碳盘点卫星任务，继续深入研究、持续发力。
图1 中国科大团队反演的碳卫星柱CO2浓度产品
图2 TanSat CO2结果与地基观测网络TCCON的对比验证
图3 TanSat与美国OCO-2卫星同步观测结果对比
附论文信息：
Hong, X., Zhang, C., Tian, Y., Zhu, Y., Hao, Y., & Liu, C. (2024). First TanSat CO2 retrieval over land and ocean using both nadir and glint spectroscopy. Remote Sensing of Environment, 304, 114053. https://doi.org/10.1016/j.rse.2024.114053