自工业革命以来，人类排放的二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）等温室气体是导致全球变暖的重要因素，其中CO₂和CH₄是最重要的温室气体，因此控制人为碳排放是减缓全球增温最核心的手段。2015年巴黎气候变化大会确立了国家自主贡献INDC（Intended Nationally Determined Contributions）机制，要求各缔约方参考各国国情以“自下而上”的方式提出应对气候变化的减排目标（陈艺丹 等，2018）。《巴黎协定》建议利用可监测、可报告、可核查的“三可”MRV（Measurement， Reporting and Verification）方法体系，建立一个透明的框架来监测能源和化石燃料密集型的国家的排放变化。当前的MRV方法体系主要基于在线监测与IPCC清单方法，缺乏第三方空天地独立数据验证。因此，2019年第49届IPCC全会上通过了对2006年IPCC国家清单指南的改进方案（IPCC，2019），明确增加了采用基于大气浓度，结合 “自上而下”（即大气反演）方法，验证排放清单的内容。

利用同化反演模式计算估算碳源汇，需要结合地基观测和卫星观测数据。传统的地基网络观测数据具有较高的精度，但空间分辨率不足，海洋、沙漠以及赤道区域也缺乏足够的观测信息，因此从中很难获取全球区域范围内温室气体的源汇分布信息。卫星观测可以在较高的空间分辨率上实现全球观测，为碳监测研究、全球碳循环、气候变化和温室气体减排提供重要的科学观测数据。2016年新德里宣言强调了星载大气碳监测可作为估算INDC的补充系统，国际卫星对地观测委员会明确提出在2025年形成星座业务化运行，支撑2028年全球碳盘点。将卫星遥感碳监测方法与技术体系应用于MRV、MVS的理论、方法、技术成为中国应对国际气候变化事务亟待探明的重要问题。

利用卫星遥感数据监测人为碳排放，为国家排放清单进行验证补充，对卫星观测是一项重要的挑战和任务，需要高精度与时空分辨率的卫星观测数据，多个卫星遥感技术强国的卫星团队都在积极备战。自2009年日本GOSAT（The Greenhouse gases Observing Satellite）卫星发射成功且观测数据被广泛用来进行全球碳源汇计算，碳监测卫星技术及应用已经有了一系列的发展和改进。本文根据碳监测卫星技术发展进程—成熟程度、探测精度、探测效率和应用需求牵引，首次提出了第一代和第二代碳监测卫星概念，在介绍日本、美国、欧洲和中国第一代碳监测卫星技术特征的基础上，论述了第二代碳监测卫星的技术创新及其在探测精度、分辨率和覆盖率方面的提升；在单颗卫星探测技术革新的基础上，为了获得能够监测区域人为源的观测数据集，还需要遥感反演算法的改进并开展卫星组网观测；论述了如何利用“自上而下”的反演方法进行碳源汇监测，最后总结展望了卫星高光谱遥感和新一代碳监测卫星的发展趋势和潜力。

碳监测卫星的重要目的在于监测碳源汇动态分布，因此对近地面更敏感的短波红外波段更适合用于地面碳源汇动态变化的监测。搭载于ENVISAT（ENVIronmental SATellite）卫星上的SCIAMACHY （SCanning Imaging Absorption spectrometer for Atmospheric CartograpHY）探测仪，是首个采用短波红外吸收带作为探测波段的星载探测器，受制于光谱分辨率和信噪比，探测精度低（14 ppm），难以满足需求。日本2009年发射的GOSAT、美国2014年发射的OCO-2（Orbiting Carbon Observatory-2）、中国2017年发射的中国碳卫星（TanSat）等多颗碳监测卫星沿用这种探测波段，随着探测仪指标和反演方法的不断改进，探测精度逐步提高。为了深入论述碳监测卫星技术发展过程与趋势，本文根据卫星遥感技术进步程度和碳监测应用需求将碳监测技术发展划分为3个阶段：准备阶段（1999年—2008年）、快速发展阶段（2009年—2018年）以及监测应用阶段（2019年—今）。本文将准备阶段和快速发展阶段的卫星称为第一代卫星，监测应用阶段的卫星称为第二代卫星。第一代卫星从技术与方法角度，实现了从无到有的突破，主要突破卫星遥感监测的关键技术、高精度反演方法和通量计算方法，但是总体探测效率较低；从应用需求角度，第一代卫星数据以科学探索和小范围、强排放监测为主，难以满足全球和区域碳监测需求；从时间进程，第一代主要从1999年—2018年，属于打基础的二十年（表1、2），第二代卫星从2019年—2028年进入快速发展和应用的十年，从2019年IPCC会议开始强调大气监测支撑清单编制的作用到2028年首次进入全球碳盘点应用阶段。为了提高观测精度和数据时空分辨率，对第一代碳监测卫星在探测原理、探测波段、探测器定标等方面进行了多种尝试，使得探测精度不断改进和优化，获得了近10年的科学数据和初步的研究成果，但第一代碳监测卫星主要以技术验证和科学目标探索为主，基本采用被动遥感探测仪和窄幅观测的极轨轨道卫星，主要目的在于获得高精度的遥感数据。为了满足监测区域碳源汇的需求，第二代温室气体监测卫星主要提高观测的空间和时间分辨率，例如增加刈幅宽度增加跨轨方向的观测数据数量（≥200 km）、或者利用地球静止轨道增加观测频率和数据覆盖率，大幅提升观测效率；此外还可以通过采用主动激光探测器获得更高精度（0.5 ppm）不受日照影响的廓线数据等。由于不同国家研制卫星的体制和途径不同，发射时间不同，也有一些卫星介于第一代和第二代之间。

传统的碳排放估算主要基于源清单和通量方法进行不同尺度外推，即“自下而上”方法，该方法也是碳排放源清单调查的主要手段，由于统计资料和排放因子无法快速更新，该方法难以捕捉排放源的动态变化。另一种方法为“自上而下”的方法，这种方法可基于大气观测的温室气体浓度和气象场资料，结合大气化学传输模式，通过数据同化方法（四维变分，卡尔曼滤波等），“自上而下”估算区域源汇及变化状况。这种方法的本质是基于贝叶斯概率统计理论的非线性最优化方法。通过数值计算求取使大气输送模式模拟结果与观测结果最为接近的区域通量，表现为利用浓度观测结果来“反演”通量，寻求观测资料和模式计算的最佳优化融合。

地面观测数据精度高、时间连续性强，有很多研究（Chevallier等，2010；Basu等，2013；Lauvaux等，2016）利用地基观测数据计算全球碳通量，但当需要获取更高时空分辨率的通量分布时，基于地基数据反演的通量不确定性大大增加，这主要是由于化学传输模式误差以及地基观测站点稀疏造成的（尤其在欧洲以及北美以外的区域）。东亚区域对碳循环以及气候变化非常重要，但是由于地基观测数据的稀疏及缺乏，在全球模式反演中，不同模式差异较大（Peylin等，2013；Thompson等，2016；Wang等，2020 ）。

引入卫星观测数据进行同化反演，可以提高对于全球以及赤道区域通量的理解（Deng等，2013），降低地面观测站点稀疏地区（尤其是欧亚大陆北部和赤道地区）的不确定性（Saeki等，2013）。过去十年，利用卫星数据进行通量反演计算得到了迅速发展，但由于目前卫星数据的区域性偏差，导致在计算区域通量时，仍存在一定误差（Feng等，2016）。

目前 “自上而下”方法虽然得到了广泛应用，但受限于观测数据的精度和覆盖率，主要用于评估自然生态圈的CO₂通量和湿地的CH₄通量（Thompson等，2016；Liu等，2017；Palmer等，2019）。近几年，开始探索利用卫星数据监测人为排放，如利用OCO-2观测研究城市XCO₂分布（Eldering等，2017）和估测OCO-2轨迹附近发电厂的CO₂排放（Nassar等，2017）。世界气象组织（WMO）正在积极推进全球温室气体综合信息系系统（IG3IS）计划（WMO，IG3IS），该计划旨在结合全球大气观测结果和反演模式，评估全球和区域碳源汇及变化，对“自下而上”的清单进行验证补充，降低排放清单不确定性，为国家在减排战略和减排承诺方面的进展提供及时和量化的指导。IPCC将浓度观测作为排放清单估算的重要验证手段，国际卫星对地观测委员会（CEOS）明确提出在2025年形成星座业务化运行，以支撑2028年第二次全球碳盘点。未来，借助新一代高精度高时空分辨率的组网卫星观测，基于观测浓度的源汇碳排放评估将逐渐成为独立于排放清单调查的另一种重要估算手段（蔡博峰 等，2019）。未来，在提高观测数据质量与数量基础上，还需要改进数据同化方法和大气化学模型：大气化学模型需包括从全球模型到中尺度模型、到城市规模和点源模型的多种尺度模型，提高大气化学传输模式分辨率，降低模式误差；利用先进的数据同化反演模型融合尽可能多的大气观测信息（地基网络观测、卫星组网观测以及飞机观测等），支撑城市到国家范围的碳排放清单验证，开展自然碳循环对气候变化的响应研究；同时大量观测数据的同化过程需大量计算，因此还需要提高反演模式的计算效率。为了提高模式模拟的准确度，还需要注意在以下几个方面进行改进：利用NO₂、CO或同位素观测等示踪气体观测协助识别化石燃料等人为排放；加强与“自下而上”模式的合作，也是未来准确计算碳通量的重点发展方向。“自下而上”方法可以为反演同化提供更准确的先验通量，降低先验通量的不确定度。“自下而上”方法的地面通量观测网还可以对“自上而下”模式进行验证，促进反演模式的改进优化（Liu和Bowman，2016）。例如随着卫星观测分辨率和覆盖范围的提升以及部署更密集的地面通量监测网络，可以在火电厂以及超大城市开展通量验证（Conley等，2016；Hedelius等，2017），这可以验证城市尺度的通量反演模式计算。

本文介绍了日本、美国、欧洲和中国碳监测卫星遥感技术与应用的发展进程。第一代碳监测卫星探测技术重点是提高监测精度，在SCIAMACHY的基础上，进入快速发展阶段。在GSOAT和OCO-2的经验基础上，GOSAT-2创新设计了智能指向系统，可以增加晴空探测概率、提升观测效率；高光谱分辨率、高信噪比的MicroCarb首次加入较0.76 μm更有优势的1.27 μm O₂-A吸收带，提高观测精度。OCO-3采用第一代卫星的探测器，通过采用国际空间站轨道，可以探测XCO₂和SIF的日变化，为研究生物圈日变化提供有效数据；第二代碳监测卫星主要侧重通过方法和技术创新提高探测分辨率和覆盖率。TROPOMI实现了分辨率较高的宽幅观测，提高了观测效率，同时具备了可以作为人为源示踪气体的NO₂和CO观测，可以为监测人为源CO₂提供辅助数据；中国计划发射的GAS-2探测器提升跨轨宽幅观测和分辨率。GeoCarb采用静止轨道，可对观测区域进行一天多次观测，旨在研究生态系统对天气过程的响应。主动探测卫星可以解决被动探测卫星受日照时间限制的问题，缓解云、气溶胶对采样像素的干扰，MERLIN首次采用激光雷达探测XCH₄，可以全天候高精度探测全球范围内的CH₄，尤其是增加了被动探测无法开展的冬季半球高纬地区观测。搭载于大气环境监测卫星以及高精度温室气体综合探测卫星的中国星载CO₂探测激光雷达可以提供全天时的XCO₂观测信息，是中国在CO₂卫星探测方面发展的重要一步。

为了更好地利用卫星遥感数据服务于人为源监测，在卫星探测技术提高的同时，遥感反演算法也需要进一步的改进。目前，进行质量控制后的反演数据精度分别达到了1 ppm（XCO₂）和6 ppb（XCH₄），未来还需要不断改进遥感反演算法和辐射传输模式，从而产生高时空分辨率、高精度的全球组网观测数据产品。此外，单独一颗卫星数据不足以满足监测全球碳源汇的需求，这就需要将在轨运行和即将发射的碳监测卫星科学组合成一个高、低轨结合的观测系统，进而可以高效率、全方位捕捉碳源汇的变化特征。实现卫星组网观测，需要对卫星反演算法、卫星间的交叉对比做出改进和优化。 IPCC 2019指南中首次提出利用基于大气浓度的反演算法验证传统清单方法，这是“自上而下”方法的一次新的挑战。为了更好的利用大气观测监测人为碳排放，不仅需要大气温室气体观测数据的改进，还需要对大气反演同化模式进行改进。“自上而下”反演算法需要充分同化尽可能多的大气观测数据（地基观测，卫星观测、飞机观测等），并在先验通量不确定度、化学传输模式准确性等方面做出改进，并加强与“自下而上”方法的合作，以满足用大气观测数据验证全球及区域碳排放的需求。

IPCC将利用大气浓度观测作为源清单核算的重要验证手段纳入新的指南，将会促使“自上而下”方法进入快速发展阶段，按照全球盘点的路线图有计划的部署，逐步形成准业务化监测系统，对各国碳排放清单进行支撑和检验。欧盟已批复18.1亿欧元的对地观测计划，其中最重要的任务是CO₂M组网观测计划，逐渐形成业务化的碳监测系统，重点探测人为CO₂源和自然源。这就需要我们推进中国自主碳卫星的研发和应用，推进基于大气浓度（尤其是遥感监测浓度） 反演碳排放量的技术和方法，提高中国碳排放空间化建设和定量反演能力，掌握国际话语权。

中国一直积极推动碳监测卫星研发进程，到目前为止已经发射了3颗卫星，是目前世界上拥有温室气体卫星最多的国家，在前十年中打下了良好的理论和技术基础。在未来快速发展和应用的十年（2019年—2028年），中国将充分发挥空间探测优势，期望达到（1）降低国家排放清单报告的不确定性；（2）为国家自主贡献的减排策略提供及时量化的科学依据；（3）为探究由人类活动和气候变化引起的生态系统碳收支提供科学数据。中国充分借鉴国际上相关卫星的经验和成果，近期正在探索高轨静止卫星与低轨极轨卫星相结合的动与静组合、主动与被动探测相结合科学实验卫星系统的科学需求和可行性，为中国低碳可持续发展、生态文明引领的美丽中国建设及一带一路等国家战略的实施提供天基科技支撑。