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碳卫星最终要实现全球观测,需要卫星平台实现灵活的观测模式,充分发挥载荷。团队设计了陆地和海洋耀斑2种与载荷系统设计紧密耦合的观测模式,实现了高信噪比观测,观测信号能量比美国OCO-2卫星提高了1倍。设计并实现了对日、对月、对TCCON站等9种定标方法--观测姿态多变如同跳华尔兹,将仪器物理变化过程和线型参量化模型融入至XCO2反演所采用的全物理反演模型当中,实现了光谱定标精度达0.7皮米,辐射定标精度优于0.9%,支撑了中国碳卫星XCO2和SIF高精度反演精问题。
当然,仅实现高信噪比观测和高精度定标是远远不能完成使命的,要想获取高精度大气二氧化碳浓度数据,还是进行反演同化,而二氧化碳反演同化精度受温度、气压、大气散射等多因素影响,相比传统水汽15%、湿度廓线10%的反演精度要求,CO2精度需要优于0.5%。项目创建了国内首套多要素耦合的二氧化碳全物理反演算法;并建立了首个碳卫星同化模型。实测数据表明,碳卫星反演精度达到了1.47ppm,远高于科技部提出的4ppm的任务书要求,优于日本GOSAT,与美国OCO-2卫星相当。数据同化实现了对碳源汇定量估算,成果在《Nature》《Science Bulletin》发表。
02 “碳排放”有了中国数据
“持家先要有账本,这个‘账本’就是我们自己监测到的碳排放量。碳卫星从研制、发射、到在轨应用、持续、高质量产出多项成果。填补了我国全球二氧化碳监测空白,获取了我国首幅全球高精度二氧化碳分布图,反演精度1.47ppm。
得到我国首幅高精度全球植被叶绿素荧光分布图,技术指标国际领先,可用于精确估算全球植被光合生产力,被美国科学院院士列为国际上5种产品之一。
获取了中国碳卫星首个全球碳通量数据集。证明了我国碳卫星可对碳源汇分布进行定量监测。使我国在大气二氧化碳监测方面跻身国际前列。
03 科学、经济、社会效益显著
碳卫星为国际气候与环境研究贡献了中国数据,科技部在第14届和15届GEO大会分别宣布碳监测数据和叶绿素数据全球共享,先后为美国、德国、法国、日本等数十个国家用户提供了12.99TB的数据。技术引领方面,碳卫星实现了我国天基碳监测技术“0-1”突破。促进了我国天基碳监测体系建设,推动了十四五国家重点研发计划下一代碳卫星项目部署,团队已经获得了科技部下一代碳卫星项目支持,正在开展我们下一代碳卫星研制。科学推动上,碳卫星验证了天基能够实现1ppm左右的大气二氧化碳监测能力,近期大气所团队唐山区域天基碳监测成果进一步证实了碳排放监测能力,为支撑双碳战略奠定了科学基础。碳卫星技术已应用于夸父一号、创新X科学实验卫星、齐鲁商业碳卫星星座等任务,获得直接经济效益3.4亿元,经济效益显著。同时,国际地球观测组织和欧空局分别将碳卫星纳入其合作计划,提升了我国在全球碳监测领域话语权。
碳卫星开创了我国天基二氧化碳监测的先河,建立了全链路技术体系和系统方法,为我国天基温室气体高精度监测和反演同化奠定了技术基础,支撑了全球气候变化研究,提升了我国在全球碳监测领域的话语权。后期,团队将继续在碳监测领域。
在“双碳”形势下,团队围绕加强我国天基碳监测能力,增强我国在全球气候变化谈判中的知情权、话语权、主动权和主导权,推动基于下一代碳卫星的天基碳监测新方法、新技术、新能力的突破,完善我国天基碳监测体系,形成我国各省区和重点行业、重点排放源的高效监测能力,支撑碳核查和碳排放权交易及相关活动,为实现中国2030“碳达峰”与2060“碳中和”目标奠定坚实基础。
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