国外天基二氧化碳和甲烷监测能力及近期计划(中)

通过将这些技术改进与一种智能指向算法 相结合，TANSO-FTS-2可在大约30 kmx30km大

94对地定向空间站上的耀斑和目标指向功能，研究OCO-2种两轴快速指向机构。指向系统为耀斑和目标观 测引入了不同的偏振角。通过将这一变化与望远

有望将无云探测次数增加两倍多(见图5(b))。基

于更大的天底扫描范围，它能够在更广(两倍)的 纬度地区内对明亮的海洋耀斑进行观测。这样不CO2 -镜改进结合起来，OCO-3可在低得多的ISS轨道

(约 350 km) OCO-2 希且还有望将每天的耀斑观测次数提高两倍。GOSAT-2 彳

()iTANSO-CAI-2

指向机构能够对100 kmx 100 km大小的区域进行XCO2 -(

比如，TANSO-CAI ；TANSO-CAI-26(c)).( ±20。)。(333 〜353 nm)、蓝光(443 〜453 nm) (540 〜560 nm)力与早期那些在近极地太阳同步轨道上工作 的天基CO2

ISS if轨道上。虽然该轨道没有覆盖高纬度地区，但是CO?；道。预计这些变化将会提高气溶胶光学深度的反

演精度。区进行更好的观测。如果同时从OCO-3以及一(OCO-2 或 GOSATHOCO-3 4日本的GOSAT/GOSAT-2合作机构已经开 始讨论GOSAT-2

GOSAT-3

—GOSAT-3。按照—

2023 宰基于轨道进动，OCO-3可在一天中的不同时间里

署，并将以比前期任务更高的空间分辨率和更广CO2、ch4

对地球的各个地区进行观测。这将有望帮助人们

co首次实现在单个天基平台上从早到晚地掌握整XCO2 丨前，他们正在对宽刈幅成像光栅光谱仪和成像傅 里叶变换光谱仪进行研究。运行轨道和使用寿命

(如SIF)白等其他细节尚未对外公布。OCO-3除了 OCO-3之外，ISS上还部署了 NASA的

(GEDI)激光雷达、生 (ECOSTRESS)以及日

作为OCO-2任务的一部分，NASA授权研制

一台备用星载仪器，以便在星载仪器研制工作出 现问题时，最大限度地减小由此引起的任何延误2012 年，NASA(JAXA)右仪组件(HISUI),GEDI 丿仪器改装成部署在国际空间站(ISS)日本实验舱

(JEM-EF) OCO-3

(构信息，ECOSTRESS负责测量水分利用效率，HISUI 丿6)。由于采用OCO-2备用星载仪器组件，OCO-3

OCO-2 节

与OCO-3的XCO2及SIF观测结果结合起来，可

以荻得生态系统生产力的昼夜变化信息。Infrared (monthly)/Vol.40, No.5, May 2019http://jour nal.sitp.ac.c n/hw44红外2019年5月(b)(a)图6 (a)部署在国际空间站(ISS)日本实验舱暴露设施(JEM-EF)上的OCO-3仪器；(b)国际空间站(ISS) ； (c)

OCO-3 1)CO2排放源时对lOOkmxlOO km大小的区域进行观测(来源：JPL/NASA)MicroCarb仪对由观测场景或散射气溶胶引起的偏振不敏

作为欧洲首颗专门用于测量大气CO2数据 的卫星，MicroCarb的测量精度和分辨率可以实

CO2

(

(CNES) I7).感，从而消除区域偏差的潜在原因。另外，扰偏(

)E的通量损失。O2 波段受到气辉影响，其他天基(UKSA) MicroCarbCO2 1.27 pm 通道。在 Micro­

卫星。MicroCarb卫星上具有两个有效载荷：CO2

Carb 任要光谱分辨率和信噪比满足要求，就可将气辉影仪器是一台紧凑型高分辨率四通道中阶梯光栅

。2

pm

1.27成像光谱仪；一台成像仪采用中心波长为0.6250.76 pm通道，可以估算出受气溶胶与云散射影响的地面气压、干空气质量以及大气光

数据进行检测和筛选。CO2 :程长度。如果消除了气辉影响，那么1.27 pm通道0.76 pm 通］种分光瞳式望远镜将同一瞬时视场成像到4个 空间分离的光谱仪狭缝上。此外，所有4个通道

先，由于吸收线不饱和，对干空气质量具有更高 的灵敏度；其次，由于在光谱上更接近CO2波段

(1.61 pm和2.06 pm),可能会减小由气溶胶波长

获得的光谱数据都将被记录在一个二维焦平面

(

7(c)

7(d))。相关光学性质的不确定性引入的光程长度偏差。1.3 s

1.2。宽的负责测量O2-A波段(0.76 pm与1.27 pm)和CO?

波段(1.61 pm与2.06 pm附近)£收数据。其中，每个通道的光谱分辨率入/△入(约

26000)和信噪比(SNR)值均与OCO-2及OCO-3

穿轨迹视场内记录三个同步共视轴采样数据，在4.5 kmx9 km单轴扫描镜机构可将视场指向至±35。范围内。

的相近。装在前置望远镜前面的扰偏器使光谱

Infrared (monthly)/Vol.40, No.5, May 2019此时结合卫星的灵活性，光谱仪便可采用天底/耀

http://jour nal.sitp.ac.c n/hw第40卷，第5期红外45斑模式或者针对静止目标（如TCCON站点）采集科学观测数据。该机构能够在士200 km宽的网40 kmx40 km

上将搭载一台紫外-可见光-近红外-短波红外

（UVNS）光谱仪。该任务的主要目标是对活性气体

（臭氧、二氧化氮、二氧化硫、甲醛和COACH』以

XCO2 :及气溶胶光学深度进行业务监测。首颗MetOp-

SG-A卫星计划于2021年发射，其设计寿命为7.5

外，这个扫描机构还可将视场指向定标灯或地球O2 xAg

（1.27 pm）鼻测。基于这些科学观测与定标能力，MicroCarb任 务预计将可获得单测随机误差为0.5 ~ 1 ppm、0.2 ppm 的 XCO2 /

年。现行计划是每隔7年发射两颗相同的卫星，

使整个系统的寿命达到21年。MetOp-SG-A卫星 将运行在高度为817 km、倾角为98.7。的太阳同

MicroCarb 项步轨道上，其平均当地时间（降交）为09:30，地

观测仪器与卫星平台的集成工作也已启动。Mi­

croCarb

面轨迹重复周期为29天。MetOp-SG-A上将搭载UVNS推扫式成像光

2021 年5（9 km）,谱仪、METimage多光谱成像辐射计以及IASI-NG

10:30 （「25

红外大气探测干涉仪等8台仪器。其中，UVNS

交） 13:30 （）,Sentinel-5 UVNS光谱仪在TROPOMI宽视场望远镜的基础上增加 了一个狭缝均化器，以减小由光谱仪狭缝的非均在Sentinel-5任务中，欧洲气象卫星应用组织（EUMETSAT）

(a)MetOp-SG-A 卫星 270 〜310 nm （UV1）、300 〜500 nm （UV2VIS）、685(b)Google Earth(e)■■■■ nifFOVlFOV2FOV3(C)(d)Spectral AxisThree Fields of view (FOV) per

spectral ba nd图7 （a） MicroCarb卫星的概念图；（b）降轨时欧洲地面轨迹的空间分布情况；（c）紧凑型四通道光谱仪以

（d）

1024x1024元焦平面阵列的不同位置上；（e）

http://jour nal.sitp.ac.c n/hw（来源：CNES）Infrared (monthly)/Vol.40, No.5, May 201946红外2019年5月§m〔

0-i-z

-•• &N

图8 MetOp-SG卫星的概念图(上)以及UVNS仪器的光谱覆盖范围(下).利用UVNS光谱仪的SWIR3

XCH4

( ESA)〜710 nm (NIR1) 、745 〜755 nm (NIR2a) 、755 〜773nm (NIR2)、1590 〜1675 nm (SWIR1)、2305 〜2385nm （SWIR3）等波段。其中，NIR2通道包括。。-人空气摩尔分数以及SIF的空间分辨观测数据的地 球同步轨道（GEO）项目。GeoCarb任务将于2022

SES GS 公SWIR1 1.61 pm

SWIR3

CO2 :2.3星将运行在75°W〜100°W的GEO轨道上。从GeoCarb 肩和 1.67 pm 附近的 CH』

pm

CH4 CO （见图 8b NIR2 ］道50° 纟：0.4 nm （入/△入〜1900） , SWIR1

并可荻得空间分辨率为10〜20 km的XCO2、XCH4、XCO SIF和 SWIR3

CH4」0.25 nm （入/△入分别为 40 和 9200）。这与 TROPOMI £与TROPOMI —样，UVNS光谱仪通过采用（108.4°,〜2715 km）以及 1 Hz理解区域尺度上的自然和人为碳循环。GeoCarb任务将搭载一台用于记录O?/SIF （0.765 pm 附近）、CO2 （1.61 pm 和 2.06 pm 附 ）

CH4/CO （2.320 pm

时间，可在星下点附近形成7 kmx7 km覆盖区，并12°右SWIR3

） f（15000<入/△入 <16100）右CH』；1016 个 12 kmx3 kmCO

4.4°、宽0.0086°的狭缝TROPOMI 扌GeoCarbNASA的地球同步碳循环观测（GeoCarb）任CO?、CH』、。。柱，

Infrared (monthly)/Vol.40, No.5, May 2019决定。这个狭缝的长轴沿着2750 km视场被分解

向南北，进行东西扫描，从而生成空间连续的二GeoCarbhttp://jour nal.sitp.ac.c n/hw第40卷，第5期红外47东西±10。和南北±9.25。扫描获得。在大约36000km的:国际合作机构提供了一种可将这些观测数据扩 展到世界其他地区的模型。50°S 〜50° N 地MERLIN测，尽管有效日照条件会随季节有所变化（见图9）。计划于2024年中期发射的甲烷遥感激光雷 达任务（MERLIN）将运行在一个高度为500 km、97.4° &测。由于海洋上的反「射率太低而无法提供有效数GeoCarb 任为06:00/18:00 ,重访时间为28天。MERLIN是德

（DLR） CNES 供GeoCarb区、大型农业区以及广阔的南美热带森林和湿 中前者负责研制有效载荷以及部分地面设施，

地。通过分析GeoCarb

CH』、COCO?、后者负责研制平台、系统、发射以及常规地面设 施。该项目正在德法科研机构的通力合作下顺利

气候变化之间的关系提供重要帮助。GeoCarb任 展开。MERLIN是第一个采用路径积分差分吸收（IPDA）

务此次搭载商业卫星入轨运行，将会增强NASA

与商业卫星行业的合作伙伴关系，并为NASA的

XCH』 （ 10）.■ of hourt c<9ooddM* for 2007(M• of hour% of QooddMA for 200712图9 GeoCarb任务的概念图（上）；从这个GEO有利位置上来看，可见半球的日照时长会从3月（左下 图）、6月（中下图）到12月（ 卄http://jour nal.sitp.ac.c n/hwInfrared (monthly)/Vol.40, No.5, May 201948红外2019年5月(a)(b)Double-pulse laser transmitterColumn integrated optical depth'(c)*o(TSpatial sampling distance|(Mne |po««ion6076 9 60770 fi0771■0 00-图10 (a)MERLIN卫星的概念图；(b) IPDA测量方法的示意图；(c)通过选择一个位于两条重叠CH』线

之间的频率，可以大大放宽在线测量的频率要求(来源：MERLIN/CNES)因此，当太阳太低而无法为被动短波红外传感器频率则对应于CH4吸收可忽略部分并被用作参

merlinCH4;考数据。接收器采用雪崩光电二极管来探测反射

脉冲。基于极窄(约120m)的近星下点波束以及选

据的天基传感器。由于激光雷达沿着近垂直路径merlin到云反射与云阴影影响的部分多云地区实现更 多的有效探测。这些观测数据应该有助于我们了( )择采样技术，MERLIN 采集一些关于部分多云

地区的有用数据。与被动仪器不同，激光雷达不 是通过氧气测量来推算干空气质量，而是在同化

CH4 一气象数据产品的基础上，利用反「演算法获得地面50 km覆盖区上，这种主动探测方式的主要优势是，它在昼

夜、所有季节以及所有纬度条件下均能采集测

MERLIN的XCH4测量精度预计约为27 ppb „它3.7 ppb .凭

merlinNd:YAG

(OPO).MERLIN对于每个单次测量，激光雷达都发射两个频率在

1. pm

CH4 j20 ns 1250 ms，测量频率为20 Hz „ 一 CH4匸

是在冬半球高纬度地区和热带多云区域的贫困( )

□岳桢干编译Infrared (monthly)/Vol.40, No.5, May 2019http://jour nal.sitp.ac.c n/hw