二氧化碳是地球大气的重要组成部分，因其会产生较强的温室效应，被认为是造成气候变化的关键原因。为减缓二氧化碳过度排放造成的气候变化，1992年以来，《联合国气候变化框架公约》逐步对各国碳排放状态加强约束。《巴黎协定》提出，2023年起，每五年进行一次全球盘点的计划，以评估各国的实际行动在减缓气候变化中的贡献。
大气二氧化碳浓度测量法依赖于观测和模拟。在观测方面，卫星遥感由于特殊的观测地点和方式，可以在二氧化碳全球观测中发挥较大作用，特别是在全球覆盖高分辨率的观测上，能够做到看得广、看得清；而模拟则主要是通过大气输送模型，利用高性能计算机，模拟出大气二氧化碳传输过程和每一个时刻、每一个地方大气二氧化碳的含量。
▲2015年12月22日 NASA公布的首张全球CO2分布图
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。这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。
▲中国自主研制的全球大气二氧化碳观测科学实验卫星
全球二氧化碳地面观测站点总共仅有数百个，难以满足监测需求，只有用卫星俯瞰，才能绘制二氧化碳分布的全景图。为有效掌握全球二氧化碳分布情况，“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”）。
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全球二氧化碳监测科学实验卫星发射升空，这是我国首颗、全球第三颗专门用于监测全球大气中二氧化碳含量的卫星。由于技术难度极高，此前仅有两颗卫星从太空监视地球温室气体排放：一颗由日本2009年发射，一颗由美国2014年发射。
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，监测精度优于4ppm，这一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。我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，使我国在大气二氧化碳监测方面跻身国际前列。
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，这台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。
碳卫星还搭载了另一件“利器”——多谱段的云与气溶胶偏振成像仪。这台成像仪可以测量云、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。
碳卫星是如何监测全球CO2浓度？
碳卫星实现大气温室气体探测是基于大气吸收池原理，CO2、O2等气体在近红外至短波红外波段有较多的气体吸收，形成特征大气吸收光谱，对吸收光谱的强弱进行严格定量测量，综合气压、温度等辅助信息并排除大气悬浮微粒等干扰因素，应用反演算法即可计算出卫星在观测路径上CO2的柱浓度。
▲温室气体大气吸收池原理示意图
通过对全球柱浓度的序列分析，并借助数据同化系统的一系列模型计算，可推演出全球CO2的通量变化（单位时间通过单位面积的CO2总量），这正是碳循环研究的核心数据基础。
▲碳循环示意图
碳卫星发射运行后，科学数据将依托风云系列地面接收站资源完成数据下传。这些数据并不是直接可用的CO2浓度分布，需要经过大气物理学家进行高精度的全球CO2分布反演计算，最终才能成为全球CO2观测数据产品并共享发布。
▲碳卫星数据产品生成与发布路径
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的研制成功将为温室气体排放、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，增加中国在国际碳排放方面的话语权。
▲大气所反演算法获取的首幅中国碳卫星大气二氧化碳全球分布图
基于我国首颗全球二氧化碳监测科学实验卫星（碳卫星）的观测，科学家近日获取了全球碳通量数据集。这标志着我国已具备全球碳收支的空间定量监测能力，将助力盘点各地碳收支。
中国碳卫星是我国第一代温室气体监测专用卫星，实现了空间温室气体高精度监测的从无到有，迈开了重要且艰难的第一步。未来，我国将以碳卫星的研究成果为基础，研发新一代的温室气体监测卫星，服务于全球和我国双碳目标的实现。
