面向我國碳中和、碳達峰的大氣甲烷觀測衛星現狀與發展趨勢分析

姚璐 楊東旭 蔡兆男 朱思虹 劉毅 鄧劍波 田龍飛 尹增山 盧乃錳

1 中國科學院大氣物理研究所, 北京 100029

2 湖南省氣象科學研究所, 長沙 410118

3 中國科學院微小衛星創新研究院, 上海 201203

4 中國氣象局國家衛星氣象中心, 北京 100081

1 引言

工業革命以來，加劇的人類生產活動造成了大氣中溫室氣體濃度的顯著增加，由此增強的正輻射強迫改變了地球—大氣系統的能量收支平衡，引起了全球氣候的明顯變化。為了緩解全球變暖趨勢，達成《巴黎協定》設定的控制全球升溫1.5°C以內的目標，中國作為碳排放大國在2020年聯合國大會上莊嚴承諾將于2060年實現“碳中和”。碳中和是指在規定時期內人為移除與人為排入大氣的二氧化碳（CO2）當量相互抵消（IPCC, 2018），根據2021年全球財富管理論壇上對碳中和的解讀，中國的碳中和目標為包括CO2在內的所有溫室氣體。作為重要的氣候驅動因子，大氣中甲烷（CH4）的年平均濃度在2021年已達到1895.32 ppb（1 ppb=10?9）（Lan et al., 2022），約為工業革命前的3倍（Tollefson, 2022）。CH4的溫室效應在百年的時間 尺 度 上 可 達 到CO2的28倍（Myhre et al.,2013），對長壽命溫室氣體人為輻射強迫的貢獻約為18%（Forster et al., 2007），相較于化學活性穩定的CO2，控制CH4排放對實現碳中和目標和緩解全球增溫具有立竿見影的效果。2021年8月政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第六次評估報告首次強調了CH4減排的重要性，明確了CH4減排對減緩全球升溫和改善空氣質量的作用。同年11月舉行的第二十六屆聯合國氣候變化框架公約締約方會議（COP26）中，近200個國家共同簽署了“全球甲烷承諾（Global Methane Pledge）”，約定到2030年全球CH4排放量較2020年至少減少30%。在本次會議中，中美雙方還發布了“關于在21世紀20年代強化氣候行動的格拉斯哥聯合宣言”，著重強調了CH4排放對于全球升溫的顯著影響，確認了開展CH4減排行動的迫切性。中國“十四五規劃”也首次將加大CH4管控力度列入五年規劃之中。因此，減少CH4排放不僅是實現碳中和目標的關鍵環節，也是緩解全球氣候變化的重大需求。同時由于CH4較高的化學活性，其參與大氣化學過程并間接造成空氣污染，控制CH4排放對改善大氣環境質量也具有重要的協同作用。

CH4的來源包括人為活動排放和自然排放兩部分，其中總人為排放約占60%。在人為活動排放中，化石燃料使用及相關行業的排放約占35%，農業活動（畜牧業和水稻種植等）及垃圾管理約占56%，生物質和生物燃料的燃燒約占8%（Saunois et al., 2020）；自然源由濕地排放、內陸淡水湖泊排放和地質過程主導，然而利用不同方法計算的各種自然過程排放量之間仍然存在著很大的差異。CH4在對流層大氣中被羥基自由基（OH）氧化，是最主要的CH4匯，約占CH4總匯的90%，其他CH4匯還包括平流層光化學反應、土壤氧化等（Saunois et al., 2020）。面對緩解氣候變化和實現“碳中和”的目標需求，降低人為CH4排放被認為是短時間內最有效的方式，因此準確定位并監測人為CH4排放量，降低不同空間尺度下CH4通量估算的不確定性，進而加深對CH4源匯的認識是制定科學有效CH4減排方案的前提和關鍵問題。在過去幾十年內，CH4源匯的空間分布、幅度和時間規律均發生了巨大的改變，因此在目前的CH4源匯清單中表現出很大的不確定性（Turner et al.,2019），特別是自然源匯部分，其相對不確定性甚至可高達100%（Saunois et al., 2020）。2019年第49屆IPCC全會通過了采用基于大氣濃度利用“自上而下”方法驗證排放清單的方案，表明準確的全球大氣成分探測在通量估算中的重要作用。

衛星遙感探測能夠提供較高時空分辨率的全球CH4濃度數據，可以極大地提升對CH4時空動態監測、CH4收支核算及減排措施評估的數據支撐能力。國際衛星對地觀測委員會（Committee on Earth Observation Satellites，CEOS）明確表示將于2025年之前建成業務化運行的虛擬星座（Crisp et al., 2018），支撐全球大氣成分的動態監測和全球碳盤點計劃。國際上在利用衛星遙感監測大氣CH4動態變化和估算CH4通量方面均已開展了系統性的研究，積累了豐富的經驗，而國內的研究尚處于起步階段。作為人為CH4排放量最大的國家（Miller et al., 2019），面臨碳中和戰略需求和國際氣候談判挑戰，中國需要將CH4減排作為必要的補充手段。因此，以全球大氣CH4探測作為切入點，建立自主的大氣CH4收支核算體系，為“雙碳”目標的實施效果評估提供科學依據，是一項重要且急迫的任務。面對該項任務，本文總結了碳中和路徑下CH4減排所面臨的幾個關鍵性問題，并針對這些問題闡述了星載CH4探測的科學需求。在此基礎上，文章梳理了星載CH4探測技術的發展現狀和階段性應用實現，結合不同CH4探測衛星的優缺點論述了星載CH4探測及其應用體系的發展趨勢，并根據星載CH4探測的通量估算需求，分析了中國下一代碳衛星的整體設計思路，闡明了星載CH4探測在碳中和目標實踐中的科學應用潛能。

2 CH4探測特點分析與星載探測需求

緩解全球變暖趨勢、實現碳中和目標的主要途徑包括減少人為排放、增加碳匯以及能源結構調整等，其中減少CH4的人為排放是最有效的補充手段，那么針對如何制定科學有效的CH4減排方案并對減排效果進行評價這一具體環節，涉及到兩個重要科學問題：（1）如何獲取全球和區域尺度的CH4源匯分布特征？（2）如何實現準確的人為CH4排放監測和定量估算？在過去幾十年內，CH4源匯的時空分布規律發生了巨大的改變而其機理尚不明朗（蔡兆男等, 2021）。基于不同方法估算的CH4源匯通量結果表明，在全球尺度上，CH4源匯通量的不確定性約為±5%，但由于對CH4源匯分布認識的不足，不同緯度CH4源匯通量的不確定性差異顯著，北半球高緯度CH4源匯通量不確定性可達±25%（Saunois et al., 2020）；從排放清單上來看，不同部門人為排放的相對不確定性約為20%～35%，生物質燃燒和自然濕地排放的不確定性約為50%，其他自然源的不確定性可高達100%以上（Saunois et al., 2020）。為了應對氣候變化條件下的溫室氣體排放管理，2007年《巴厘島行動計劃》提出了可測量、可報告、可核查的“三可”要求（Measurable, Reportable and Verifiable，MRV），明確了溫室氣體觀測在核查能源和化石燃料密集型國家排放變化中的重要性。2015年《巴黎協定》建立了自2023年開始每5年一次的全球碳盤點約束機制，以科學評估各國自主減排的貢獻。2017年，歐盟針對溫室氣體人為排放過程提出了可監測、可驗證、可支撐（Monitoring ＆ Verification Support，MVS）的建設需求，強調了大氣成分探測對人為排放研究的重要作用。目前，常規的大氣溫室氣體濃度探測包括地基觀測和衛星探測兩種方式。

2.1 地基觀測

地基觀測是最原始的大氣成分探測方式，經過長期的站點建設，國際上基于數據標準化原則建立了在全球范圍內穩定運行的地基觀測網絡，主要包括由世界氣象組織（World Meteorological Organization，WMO）組建的全球大氣觀測系統（Global Atmospheric Watch，GAW）和美國大氣海洋局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）地球系統研究試驗室（Earth System Research Laboratory，ESRL）組建的全球溫室氣體觀測網絡（Global Greenhouse Gas Reference Network，GGGRN）。當前國際社會使用的全球溫室氣體濃度數據大部分來自GAW網絡，GAW最主要的觀測貢獻來源于大氣成分變化監測網（Network for the Detection of Atmospheric Composition Chang，NDACC）。其中，附屬于GAW和NDACC計劃的地基近紅外遙感監測網（Total Carbon Column Observing Network，TCCON）探測的XCH4探測精度可達到0.3%以上（https://tccon-wiki.caltech.edu/Main/DataDescription [2022-07-15]），是開展衛星產品驗證和大氣模擬的主要數據源（Wunch et al.,2011）。協同碳柱觀測網絡（Collaborative Carbon Column Observing Network，COCCON）采用可移動的便攜式光譜儀Bruker EM27/SUN，能夠彌補TCCON稀疏的站點分布情況，并且提供與TCCON相近的觀測精度和準確性（Alberti et al., 2022），在全球多個地區的局地源排放研究中展現出明顯的探測優勢（Hase et al., 2015; Chen et al., 2020; Cai et al., 2021; Jones et al., 2021）。我國已經開展了較長時間的溫室氣體本底觀測，近年來也相繼加入了TCCON和COCCON監測網絡（Yang et al., 2020b;Cai et al., 2021），為GAW計劃提供了可靠的地域性數據。

傳統的地基觀測數據精度高，時間連續性強，且能夠提供大氣的垂直分布結構，在衛星數據驗證、區域排放監測和大氣動力過程分析等研究中均具有獨特優勢。然而，目前大多數地基觀測站點均分布在人為活動更為活躍的北半球發達地區，且區域分布密度差異性明顯。在熱帶濕地、北方高緯森林等偏遠地區以及海洋表面，地基觀測資料十分稀少。這些重點區域代表性觀測數據的缺失嚴重影響了CH4源匯的定量估算和過程分析（Saunois et al.,2020）；此外，復雜地形條件也會嚴重制約站點觀測數據的區域代表性，造成較大空間尺度下粗分辨率通量計算結果出現較大偏差（Wang et al., 2022）。因此，地基大氣CH4濃度探測無法提供能夠識別和量化不同尺度源匯所需的空間分辨率和覆蓋程度。

2.2 衛星探測

為了加深對CH4源匯分布及動態變化的認識，實現不同時空尺度通量的準確估算，有必要從全球、國別、區域和點源尺度進行CH4濃度的監測，而衛星觀測能夠很好的彌補地基觀測的空間局限性這一缺點，以較高的時空分辨率獲取高精度的全球覆蓋，實現全球范圍內CH4的排放監測與追蹤。

早期的CH4星載探測主要采用熱紅外波段，歐美和日本均發射了多顆衛星進行大氣成分探測，主要探測器包括Aqua衛星搭載的光柵式紅外高光譜探測儀（Atmospheric Infrared Sounder，AIRS）、Aura衛星搭載的對流層發射光譜儀（Tropospheric Emission Spectrometer，TES）、日本GOSAT衛星搭載的熱和近紅外傅里葉光譜儀（Thermal And Near infrared Sensor for carbon Observation-Fourier Transform Spectrometer，TANSO-FTS），歐 洲MetOp系列衛星上搭載的超高光譜紅外大氣探測儀（Infrared Atmospheric Sounding Interferometer，IASI）及其新一代版本IASI-NG等。不同衛星的相關研究表明綜合利用熱紅外波段的多波段信息可以獲取準確的對流層中高層CH4濃度信息（Crevoisier et al., 2009; Payne et al., 2009; Xiong et al., 2013），并能實現大氣CH4廓線的全天時觀測，這些衛星的長期觀測為全球CH4的時空分布及變化特征研究提供了大量數據資料，并為衛星遙感技術監測大氣成分積累了寶貴的經驗。

熱紅外波段探測的中高層大氣CH4信息有助于了解大氣CH4的背景狀態和傳輸過程，但由于地表和近地表大氣在熱紅外波段的發射輻射相似，從光譜中難以將兩者進行區分，因此熱紅外波段對近地面大氣CH4濃度的變化并不敏感，這無法滿足CH4減排目標下對近地面排放過程的探測需求。面對碳中和目標下CH4減排需解決的兩個關鍵問題，CH4星載探測的主要目的在于獲取準確的時空連續的近地面大氣CH4濃度數據。短波紅外波段光譜包含特征差異顯著的CH4吸收信號與地表反射信號，根據CH4柱濃度相對于CH4廓線的敏感性對比分析結果，短波紅外波段對近地面大氣CH4變化十分敏感，更適用于進行CH4的排放過程監測（Worden et al., 2015）。

3 星載CH4探測技術及其發展現狀

3.1 CH4探測衛星現狀

為了獲取近地面的CH4濃度時空分布和變化情況，近年來，短波紅外CH4星載探測技術迅速發展，國內外相繼發射了多顆短波紅外探測衛星，開展了一系列CH4探測及相關應用研究，實現了CH4的空間探測。這一階段發射的科學實驗衛星促進了CH4衛星遙感反演算法和通量反演算法的發展，為空間探測能力的提升、數據產品的生產和直接應用奠定了技術基礎，并從探測數據精度和通量估算等方面說明了短波紅外探測在全球CH4源匯收支估算中的應用潛力。表1總結了已結束和仍在軌運行的CH4探測衛星的探測性能。

表1 已結束及在軌運行的星載CH4探測衛星性能總結Table 1 Instrument characteristics of ended and in-orbit CH4 satellites

歐空局發射的ENVISAT（ENVIronmental SATellite）衛星上搭載的SCIAMACHY（SCanning Imaging Absorption spectrometer for Atmospheric CartograpHY）探測儀，是首個采用短波紅外波段進行溫室氣體測量的星載探測器。SCIAMACHY具有星下點、臨邊、掩星三種探測方式，在星下點模式下，水平分辨率為30 km×60 km，覆蓋包括紫外、可見光以及近紅外在內的8個光譜波段，其中短波紅外CH4探測波段的光譜分辨率為 0.26 nm。隨著對儀器校正理解的深入，遙感反演算法和驗證方法的發展，SCIAMACHY探測XCH4的精度不斷提升，在全球CH4排放熱點監測和通量計算中得到了初步的探索性應用（Schneising et al., 2014;Buchwitz et al., 2017）。然而，由于空間分辨率和信噪比的限制，SCIAMACHY單個探測點的CH4觀測精度仍然較低，XCH4區域系統性偏差約為11～15 ppb，難以滿足區域通量反演的數據質量要求（Buchwitz et al., 2015）。歐空局哨兵2號（Sentinel-2，S2）衛星星座搭載的多光譜探測儀能夠實現可見光至短波紅外波段連續的全球探測，可對地表較強CH4點源煙羽排放和泄露過程進行動態監測（Varon et al., 2021）。

日本溫室氣體探測衛星GOSAT和GOSAT-2分別搭載了由傅里葉變換光譜儀（Fourier-Transform Spectrometer，FTS）以及云與氣溶膠成像儀（Cloud and Aerosol Imager，CAI）組合而成的TANSO和TANSO-2探測器進行溫室氣體測量。FTS用于記錄地表反射的太陽短波紅外輻射光譜和地表大氣發射的熱紅外輻射光譜，CAI用于獲取云和氣溶膠信息。GOSAT和GOSAT-2均采用太陽同步軌道，于當地時13:30經過赤道，重訪周期為3天，地面觀測點是半徑為10.5 km的圓形，在短波紅外波段采用1.56 μm～1.72 μm的光譜窗口進行CH4探測。TANSO-2在前一代的基礎上進行了升級，通過擴大孔徑提高了信噪比，從而提升了在高緯度地區的探測能力。為了盡量避免云層對探測的干擾，TANSO-2新增了智能指向系統，使探測器能夠自動指向視場中的無云區域，有助于提升GOSAT-2的有效數據量（Suto et al., 2021）。

隨著對全球氣候變化研究的深入和溫室氣體星載探測技術的成熟，2017年起CH4探測衛星數量開始了跨越式增長，多顆基于短波紅外波段的CH4探測衛星的發射推動了全球CH4探測和應用研究的飛速發展。2017年10月，歐空局成功發射了哨兵5號衛星的先導衛星（Sentinel 5 Precursor，S5P），其上搭載的對流層探測儀TROPOMI（TROPospheric Monitoring Instrument）采用推掃式進行天底探測，掃描幅寬2600 km，每日可覆蓋全球一次，全球空間水平分辨率為7×7 km2（2019年8月提升為5.5×7 km2），可對全球CH4濃度信息實現高效監測。S5P衛星的發射標志著CH4星載探測由科學實驗型向業務化運行模式的轉變。TROPOMI探測具有高時空分辨率和高信噪比，為局地和排放監測和排放量量化研究奠定了高質量的數據基礎。

中國也陸續發射了一系列衛星開展了大氣CH4探測。高分5號（GF-5）衛星搭載的大氣溫室 氣 體 探 測 儀（Greenhouse gases Monitoring Instrument，GMI）采用空間外差光譜技術（Spatial Heterodyne Spectroscopy，SHS）獲取近紅外至短波紅外波段（759～2058 nm）范圍內的光譜信號，具有信噪比高、無動鏡等特點（陳良富等, 2021）。GMI的光譜范圍與SCIAMACHY類似，光譜分辨率與TANSO-FTS相同，能夠獲取CH4和CO2等溫室氣體的濃度信息，為溫室氣體的源匯分析提供數據支持（孫允珠等, 2018）。風云3D衛星（FY-3D）搭載的高光譜溫室氣體監測儀（GAS）采用干涉分光方式獲取近紅外至短波紅外范圍內4個波段窗口的高分辨率光譜（Bi et al., 2022），用于獲取CH4、CO2等大氣成分的濃度信息，改善區域尺度上地表溫室氣體通量的定量估算。

商業衛星的主要探測目標集中在局地尺度的油氣工業排放區，通過獲取高空間分辨率的影像數據進行排放估算，商業衛星的發展也為局地尺度的CH4排放監測創造了極佳的條件，對全球星載CH4探測能力進行一定的補充，主要包括加拿大的GHGSat系列衛星、SCISAT-1衛星和意大利的PRISMA衛星。GHGSat系列衛星預計構建一個CH4探測星座，現已發射了3顆微小衛星GHGSat-D（C1和C2），主要為全球工業化生產過程提供精確的CH4排放監測。三顆衛星搭載的主要載荷是一臺廣角法布里珀羅（F-P）成像光譜儀，能夠獲取0.1 nm光譜分辨率的短波紅外波段光譜，并提供精度約為1%的大氣CH4濃度信息。GHGSat系列衛星最突出的優勢在于其極高的空間分辨率，約為30～60 m（Jervis et al., 2021），在兼具高光譜分辨率和高空間分辨率的組合條件下，GHGSat系列衛星對工業生產規模下的CH4排放監測和量化具有絕佳的優勢。

3.2 規劃中的CH4探測衛星與載荷

現有的大部分CH4探測衛星聚焦于短波紅外波段的CH4科學探測試驗，完成了短波紅外CH4探測從無到有的突破，在這些衛星探測的基礎上，短波紅外CH4探測技術、反演算法及通量同化算法得到了快速的發展。隨之而來的算法的成熟及應用也對星載CH4探測的時空覆蓋程度、數據精度提出了更高的要求。為了滿足科學研究的數據需求，當前多顆CH4探測衛星正處于籌備階段，未來會加入到星載探測隊列中，表2總結了計劃發射的CH4探測衛星的基本性能。

表2 計劃中的CH4探測衛星性能總結Table 2 Instrument characteristics of scheduled CH4 satellites

歐盟的哥白尼哨兵5號（Sentinel 5，S5）計劃采用一臺紫外線/可見/近紅外/短波紅外光譜儀（UVNS），對CH4及多種痕量氣體進行綜合觀測。UVNS利用1.67 μm和2.3 μm兩個短波紅外波段進行CH4探測，光譜分辨率為0.25 nm，其掃描幅寬、時空分辨率均與TROPOMI基本一致（Checa-Garcia et al., 2015）。歐 洲CO2M衛 星 是 歐 洲MVS的空間組成部分，擬采用衛星組網的方式進行全球溫室氣體探測，在補充地基觀測的同時提供高時空分辨率的人為排放監測。CO2M計劃于2025年發射2顆哨兵7號衛星，采用260 km以上的幅寬（Sierk et al., 2021），以2 km×2 km的高空間分辨率進行CH4、CO2等溫室氣體的高精度探測，預計CH4和CO2的精度可分別達到10 ppb和0.7 ppm（1 ppm = 10?6）（Meijer et al., 2020）。UVNS和CO2M同時兼具NO2等關鍵空氣質量痕量氣體和氣溶膠信息的探測能力，能夠有效監測人為排放過程。

中國第二代碳衛星（TanSat-2）借鑒了國際溫室氣體探測衛星的技術經驗，在第一代碳衛星（TanSat）的基礎上，補充對CH4和CO的探測能力，在維持光譜高分辨率和信噪比的前提下，通過拓展掃描幅寬提升全球探測能力，為區分人為源和自然源提供數據支持。此外，中國計劃發射的FY-3H衛星將搭載第二代大氣成分探測儀（GAS-2），GAS-2計劃采用100 km的掃描幅寬，以3 km的空間水平分辨率進行全球CH4探測，提高全球探測效率，GAS-2使用的光柵光譜儀預期信噪比為300，可實現高精度的大氣CH4探測目的（https://space.oscar.wmo.int/instruments/view/gas_2 [2022-07-04]）。日前，中國發射了一顆大氣環境監測衛星（DQ-1），運行于705 km的太陽同步軌道，其上搭載了世界首顆氣溶膠和碳監測激光雷達，在陸地和海洋表面的水平空間分辨率分別為50 km和100 km（Han et al., 2018）。DQ-1通過主動發射1572 nm波段的激光信號對全球大氣CO2進行高精度探測，同時利用532 nm和1064 nm波段獲取高空間分辨率的云和氣溶膠信息，預計可獲得1 ppm探測精度的CO2濃度數據（Wang et al., 2020）。下一代大氣環境監測衛星（DQ-2）將在此基礎上進一步拓展功能，計劃采用主被動聯合探測的方式，以千米級空間分辨率實現CH4、CO2等溫室氣體的高精度綜合探測，兼具寬覆蓋、高精度的雙重優勢（http://www.spacechina.com/n25/n2018089/n2018146/c3526 478/content.html [2022-07-04]）。

美國環保協會分支機構計劃于2023年發射MethaneSAT衛星，該衛星將以目標模式運行，大約每4天就會對全球80%以上的油氣產業區的CH4排放情況進行量化監測，其上搭載的高靈敏度成像光譜儀能夠獲得精度最高為2 ppb的XCH4數據（Rohrschneider et al., 2021）。MethaneSAT具有100 m×400 m的高空間分辨率和260 km的掃描幅寬，能夠捕獲大尺度范圍內的區域總排放，并通過高分辨率的區域排放監測準確定位主要排放熱點，為點源的排放估算提供便利條件（Rohrschneider et al., 2021）。

地球靜止探測衛星能夠獲取特定地區長時間序列的大氣CH4濃度分布情況，有助于深入對區域尺度源匯變化和氣候系統響應的探索研究。美國宇航局NASA即將發射的GeoCarb是第一顆從地球靜止軌道（GEO）進行CH4等溫室氣體探測的衛星，其從35800 km的高空以5～6 km的空間分辨率獲取掃描區域內的大氣CH4和CO2濃度信息，每天可以進行至少兩次探測（Somkuti et al., 2021）。GeoCarb掃描緯度范圍為50°S～50°N，覆蓋了美洲的主要城市和工業區域、大型農業區以及廣闊的南美熱帶森林和濕地（Moore III et al., 2018），其探測結果有助于獲取區域CH4通量的變化情況，加深對碳循環和氣候變化之間關系的認識。

采用短波紅外波段的被動遙感探測通常會受到云層的干擾，造成有效數據量的極大降低（Dupuy et al., 2016）。激光雷達主動探測采用差分技術和選擇性采樣方案，可以利用激光斑點較小的特性穿透云層之間的空隙進行探測，降低云層對探測數據量的影響，且不受光照時間的限制，是一種更為靈活的探測方式。MERLIN（Methane Remote Sensing Lidar Mission）是德國航天局（DLR）和法國航天局（CNES）聯合研制的一顆激光雷達主動遙感探測衛星，計劃于2027年發射，其首次使用積分路徑差分吸收（IPDA）激光雷達進行CH4探測，能實現全天候的全球CH4探測，預期可獲得的全球XCH4探測精度可達到27 ppb，區域系統誤差低于3.7 ppb（Ehret et al., 2017）。由于激光雷達選擇性采樣、探測斑點小可穿透云層縫隙的特性，MERLIN探測能夠大幅降低云層的干擾，增加赤道多云地區的有效觀測數據量，同時主動探測信號強度的穩定保證了冬季高緯地區的探測能力，這些特性使得MERLIN的探測結果有助于提升對部分多云地區和冬季半球高緯CH4源匯分布的認識。

3.3 星載CH4探測數據的獲取和應用

準確的星載CH4探測數據的獲取還需要高精度CH4衛星遙感反演算法的支持，衛星探測CH4數據產品的質量通常取決于探測儀器和反演參數的選擇。短波紅外探測具有對近地面 CH4濃度變化敏感的優點，但短波紅外吸收光譜易受到干擾氣體、溫度、云和氣溶膠等大氣和地表參數的影響，引入較大誤差。高精度反演算法的目標就是降低干擾因素的影響，從有效光譜信息中獲取目標氣體的濃度信息。國際上利用SCIAMACHY衛星和GOSAT衛星探測光譜建立了多種溫室氣體衛星遙感反演方法，其中目前應用最為廣泛的為全物理模型反演算法、Proxy反演方法和WFM-DOAS（Weighting Function Modified Differential Optical Absorption Spectroscopy）反演方法。

Proxy算法通常利用CO2等含量穩定的大氣成分作為代表物，修訂CH4探測波段中云和氣溶膠對光程的影響，從而提取有效的CH4濃度信息，這要求云和氣溶膠對目標氣體和代表氣體所處波段內的光程影響相當，因此通常僅適用于同時覆蓋1.6 μm CO2和CH4吸收帶波段的衛星探測。英國萊斯特大學開發的UoL-Proxy算法獲取的GOSAT數據產品經TCCON驗證，單點探測精度為13.72 ppb，全球整體偏差約為9.06 ppb（Parker et al., 2020）。研究表明利用Proxy方法反演的XCH4精度會明顯受到代表氣體XCO2精度、光程及系統性誤差修訂的影響，反演結果精度約為0.6%～2%（Butz et al.,2010）。

WFM-DOAS算法基于經典的差分吸收光譜技術，利用探測目標氣體柱總量的權重函數代替吸收截面參與差分吸收光譜的擬合。WFM-DOAS算法最初建立在SCIAMACHY探測光譜基礎上，實現了多種氣體柱濃度的反演（Buchwitz et al., 2004,2006）；現已被應用于TROPOMI的XCH4和XCO反演中，可獲得與全物理算法反演結果一致性較高的數據產品。地基驗證結果表明WFM-DOAS算法獲取的XCH4隨機誤差為14.0 ppb（0.8%），系統誤差為4.3 ppb（0.2%）（Schneising et al., 2019）。WFMDOAS 反演算法對光譜分辨率要求相對較低，但是對光譜定標精度、氣象場（如溫濕廓線、壓強）等輔助參數的精度要求較高，并且受云的影響較大。

全物理反演算法利用正演模型模擬信號的大氣輻射傳輸過程，能夠大幅降低輻射傳輸過程中散射造成的光路不確定性引起的誤差，通常具有較高的反演精度。國際主流的溫室氣體衛星遙感反演算法主要包括GOSAT標準算法NIES-FP（Yoshida et al., 2011, 2013），NASA開發的OCO-2標準算法ACOS（Crisp et al., 2012; O'Dell et al., 2012），英國 萊 斯 特 大 學 開 發 的UoL-FP（Boesch et al.,2011），TROPOMI的標準算法RemoTeC（Butz et al., 2010, 2011; Hu et al., 2016）以及中國碳衛星標準算法IAPCAS（Deng et al., 2014）等。利用這些算法可以從衛星短波紅外探測光譜中獲取高精度大氣XCH4和XCO2數據產品。隨著對反演結果誤差分析的深入以及對產品精度要求的提升，以上算法不斷更新優化，目前TROPOMI和GOSAT反演的XCH4精度已得到極大改進，利用RemoTeC改進算法獲取的TROPOMI探測XCH4反演精度已達到?3.4±5.6 ppb（Lorente et al., 2021），高 精 度XCH4數據產品的獲取為實現大氣CH4收支估算奠定了數據基礎。IAPCAS算法是面向中國TanSat衛星的數據應用而研發的（Yang et al., 2015），利用該算法可以從TanSat探測光譜中獲取1.47 ppm的 高 精 度XCO2數 據 產 品（Yang et al., 2020a），并具有從GOSAT光譜獲取XCH4和XCO2數據的能力（劉毅等, 2013; Deng et al., 2014），該算法的建立及其在多星反演中的成功應用為我國后續衛星任務的實踐奠定了算法基礎。

估算全球和區域的CH4收支能力能夠幫助提高對CH4源匯分布的認識，并為應對未來氣候變化提供參考。目前的通量估算方法主要分為“自下而上”和“自上而下”兩種方式。“自下而上”方法基于排放清單、站點觀測通量或者網格尺度的模擬通量數據進行空間尺度外推，是傳統的碳收支估算手段，由于受到數據資料時效性低的影響，該方法計算結果通常具有滯后性，難以及時捕捉源匯的動態變化（樸世龍等, 2022）。“自上而下”方法主要基于探測獲取的大氣成分濃度數據和排放清單數據，利用大氣化學傳輸模式，通過數據同化方法進行通量估算。已有研究表明，與僅使用地基觀測相比，利用衛星觀測數據進行通量估算能夠降低約85%的不確定性（Yang et al., 2017）。但是該方法對探測數據精度具有嚴格的要求，1%的區域或時間相關的系統性偏差都會影響通量反演結果的有效性（Bergamaschi et al., 2009）。基于大氣化學傳輸模式及高精度衛星XCH4數據產品，多個團隊開展了CH4通量估算研究，大量研究表明在反演中使用衛星探測數據能夠顯著降低不同區域反演通量的不確定性，為“自下而上”的CH4排放清單和濕地排放模型提供了重要的驗證資料（Turner et al., 2015; Bergamaschi et al., 2015）。目前，GOSAT數據被廣泛應用于地表CH4通量估算中，助力全球和區域尺度的CH4源匯分布和變化情況分析，在評估不同部門對CH4排放貢獻（Maasakkers et al., 2021; Zhang et al., 2021），深入認識CH4源匯分 布 變 化 及 其 對 氣 候 影 響（Zhang et al., 2018;Maasakkers et al., 2019; Feng et al., 2022）等方面提供了可靠證據。TROPOMI具有較高的時空分辨率，其探測數據量和數據精度也遠高于GOSAT，能夠在精細尺度的通量估算中發揮優勢（Qu et al.,2021）。這些研究結果為全球甲烷預算和進一步認識CH4源匯變化提供了科學數據支撐。

高時空分辨率的星載CH4數據產品能夠直接反映CH4的人為排放過程。TROPOMI在CH4排放監測及其排放量估算中表現出了時空連續的探測優勢（Pandey et al., 2019），其高精度探測能力同樣為區域面源的CH4排放監測和量化創造了條件（Zhang et al., 2020）；結合同步探測的大氣CO濃度數據，可以脫離大氣傳輸模型對局地CH4排放的穩定性進行獨立評估（Plant et al., 2022）。高空間分辨率的GHGSat系列商業衛星旨在獲取工業生產中的CH4點源排放，通過識別精細尺度的CH4排放煙羽，在局地排放監測和排放量估計中得到了廣泛應用（Varon et al., 2020）。

3.4 存在的不足

星載CH4探測顯著提高了地面溫室氣體觀測網絡的時空分辨率和覆蓋范圍，為全球CH4的定量研究提供了大量有效數據。然而針對不同時空尺度的CH4收支估算和排放監測的具體目標，因受制于衛星軌道、傳感器性能和遙感反演算法，目前的星載CH4探測尚無法提供可滿足不同目標需求且與地基探測精度相當的探測數據。

當前大部分CH4探測衛星采用太陽同步的極地軌道，極軌衛星通常具有約16天的較長重訪周期，雖然TROPOMI的寬掃描幅寬已大幅縮短了實現全球探測所需的時間，但是其非連續的空間采樣方式仍無法滿足不同尺度通量準確估算的要求。此外，目前星載CH4探測衛星主要利用短波紅外波段捕捉近地面的CH4排放情況，而短波紅外波段極易受到大氣環境狀態（如云、氣溶膠、水汽和溫度）的影響，有效數據量受到嚴重約束，且無法開展全天時全天候的CH4探測。此外，為了平衡衛星的綜合探測性能，CH4星載探測的幅寬和空間分辨率無法同時獲得最佳狀態，這導致單顆衛星探測難以解決探測時空覆蓋度不足的關鍵問題。

針對CH4排放動態監測這一具體目標，星載CH4探測需要識別出較小區域尺度內高于大氣背景狀態的氣體濃度來量化排放速率，這要求星載CH4探測同時具備較高的空間分辨率和探測靈敏度。針對CH4通量估算，也需要提供高精度的衛星探測數據產品（＜10 ppb）以實現區域通量準確估算的要求（GHG-CCI, 2020）。受制于載荷光譜分辨率和信噪比，現有的遙感反演算法獲取的XCH4數據產品精度約為1%，無法滿足區域源匯定量研究中單點探測精度小于9 ppb的需求（GHG-CCI,2020）。因此，提高載荷探測性能指標，優化反演算法中的地表和氣溶膠等嚴重約束反演結果的模型仍然是急需解決的關鍵問題。

基于觀測數據和大氣化學傳輸模型的同化方法是支撐全球碳盤點的重要補充手段，然而目前的大氣化學傳輸模型的空間分辨率仍較為粗糙，難以覆蓋局地至全球不同空間尺度下的通量計算要求；大氣化學傳輸模式及關鍵CH4源匯模型是通量計算的核心內容，采用不同模式計算的通量結果往往存在一定的差異，此外隨著氣候狀態的改變，CH4源匯分布及其過程也發生了相應的變化，因此模型的更新、優化與通量計算結果的優劣息息相關；代表性數據和排放清單的差異也會對通量計算結果產生重要影響。基于同化算法的通量計算過程需要耗費大量的計算資源，目前的同化算法在進行大規模運算時計算效率仍然較低，尚不足以滿足業務化運行需求。

4 星載CH4探測的發展趨勢

4.1 星載CH4探測系統發展趨勢

為了滿足全球碳盤點和碳中和的戰略需求，針對CH4排放動態監測和不同尺度通量估算這兩個關鍵科學問題，CH4探測衛星需要提供能夠分辨出局地至區域尺度源匯的CH4濃度變化信息，對此全球氣候觀測系統（Global Climate Observing System，GCOS）提出溫室氣體衛星探測的具體任務目標應滿足5～10 km的空間分辨率，4 h的時間分辨率和10 ppb的CH4探測精度（GCOS, 2016）。根據現有CH4探測衛星任務的技術手段，單顆單一探測方式的衛星無法完成全球探測任務，而不同探測手段的衛星探測目的也各不相同。為了實現不同尺度的探測和研究需求，有必要采取主被動、高低軌相結合的方式構建星座體系開展協同探測。通過綜合應用多顆衛星探測結果，為碳中和相關減排措施的有效性評估和全球碳盤點計劃提供科學支撐。高精度探測結果首先依賴于探測到的高分辨率和高信噪比光譜數據，現有研究表明當短波紅外信噪比優于300，且光譜分辨率優于0.1 nm時，全物理反演算法獲取的XCH4數據產品精度可控制在10 ppb以內（鄧劍波, 2015）。

地球靜止軌道衛星可以對目標區域進行長時間連續探測，能夠彌補極軌衛星時間分辨率的不足，采用3顆位于85°W、20°E和105°E的地球靜止衛星即可滿足美洲、歐洲、非洲及東亞地區的連續觀測（劉毅等, 2021），然而地球靜止衛星的軌道高度和探測器性能使其具有較低的空間分辨率，無法對局地點源的排放形成有效探測。此外，為了滿足高緯和極區的高質量連續探測需求，高橢圓軌道衛星的補充探測是一項可行的選擇（Trishchenko et al., 2019）。因此，高低地球軌道衛星結合的探測方式可以彌補全球CH4探測的時間連續性，為CH4排放監測提供數據保障和快速響應能力。

激光雷達探測衛星通過主動發射脈沖信號進行大氣成分探測，能夠彌補被動遙感探測波段受光源和大氣環境狀態干擾的缺點，有效提升探測效率。相較于短波紅外被動遙感探測，激光斑點很小，能夠在獲得高空間分辨率的同時降低氣溶膠、薄云的多次散射對探測精度的影響，并能夠避免被動探測衛星受光照時間限制的問題，實現日夜不間斷探測，有效補充短波紅外探測在受限時空范圍內的觀測數據。然而，星載激光雷達的精密制造和CH4高精度反演算法仍面臨著巨大挑戰。采用主被動結合的探測方式，能夠大幅拓寬全球CH4探測的時空范圍，提升探測有效數據量，并為探測結果的誤差分析互相提供參照。

CEOS計劃的業務化虛擬星座正處于建設階段，衛星組網探測是目前實現全球高效探測的有效手段（Crisp et al., 2018）。根據以上不同類型衛星的探測特點，如何規劃各個衛星的運行方式，最大限度地發揮各顆衛星的探測能力，實現CH4探測的全球時空覆蓋是一項復雜問題。在衛星組網觀測的前提下，利用地球靜止衛星對全球重點地區進行大陸尺度的監測，利用太陽同步軌道衛星的常規探測以及目標模式對排放敏感區域開展重復探測，結合激光雷達的主動探測，形成覆蓋廣、時效高的星載探測網絡，為CH4收支估算和排放監測提供全球高時空分辨率的精準探測數據。

針對全球碳盤點和雙碳目標戰略，TanSat-2的主要目標之一是滿足不同時空尺度下的CH4收支估算，因此需要獲取高時空分辨率和精度的數據產品。為了實現這一目標，TanSat-2將以km級分辨率和200 km以上的幅寬進行探測，通過多星聯合組網實現每天一次的主要經濟體觀測覆蓋。TanSat-2預計采用中軌橢圓太陽同步凍結軌道建設星座方案，太陽同步特性能夠保證同一緯度的星下點觀測具有相同的光照條件，軌道凍結特性使得相同緯度的觀測保持相同的軌道高度，有利于對同一觀測目標進行長期穩定觀測。TanSat-2通過遠近地點的變化控制衛星運行速率，實現北半球人類活動排放的長時間監測。衛星將搭載寬視場溫室氣體監測儀、污染氣體監測儀、云與氣溶膠監測儀進行CH4、CO2、CO、NO2等多種要素的高精度探測，其中CH4探測精度預計可達10 ppb；同時通過設計星上自主云判別能力，識別云覆蓋區域并智能規劃掃描路徑，提升有效觀測數據量（劉良云等, 2022）。

4.2 星載CH4高精度反演算法發展趨勢

為了追求高精度反演結果，全物理算法需要對大氣輻射傳輸過程進行多次計算，耗費大量計算時間和資源。未來發射的大量CH4探測衛星任務將會積累海量的探測光譜數據，處理海量數據并實現衛星的業務化運行需要提升數據反演效率，如何快速、準確的反演計算是亟待解決的重要問題。歐空局氣候變化項目針對區域尺度的通量估算設立了詳細的探測精度目標，要求準確的通量估算應保證XCH4的單點探測精度小于9 ppb，月探測精度小于3 ppb，系統絕對誤差小于1 ppb（GHG-CCI,2020）。由于反演算法中通常采用較為單一的模型簡化計算過程并引入模型誤差，造成不同地表和大氣環境狀態下反演數據產品的精度出現較大的差異。針對不同反演算法獲得的XCH4精度的研究也表明冰雪覆蓋表面的XCH4結果通常存在較大的偏差，且這種偏差很可能與反演系統有關（Lorente et al.,2021），這對反演系統中的地表反射率模型的更新和優化提出了要求。由于較低的洋面反照率，海洋上空的CH4探測仍存在很大的誤差，對海氣交換過程和海洋CH4通量估算造成很大的不確定性。目前已有研究表明海洋CH4排放主要來源于近海淺海水域（Weber et al., 2019），獲取近海區域的準確CH4濃度分布，對于改善海洋CH4通量估算具有重要作用，因此進一步發展和改善近海CH4衛星遙感反演方法尤為必要。

此外，未來高時空分辨率的全球CH4探測主要通過衛星組網方式實現，不同類型衛星的探測器性能可能存在很大的差異，包括時空和光譜分辨率，信噪比等，不同反演算法的誤差和不確定性評估方案也不盡相同，限制了數據產品的交叉驗證及其在通量估算等研究中的綜合應用（Von Clarmann et al., 2020）。為了滿足碳中和目標下星載CH4探測的數據應用需求，有必要建立起規范化的數據質量評價體系，為星載探測數據的綜合應用提供科學指導。

4.3 CH4通量反演發展趨勢

基于數據同化的CH4通量反演是驗證CH4排放清單的重要手段，主要利用地基和衛星探測的大氣CH4濃度數據，結合全球和區域的大氣化學傳輸模型進行排放量估算。現有研究表明熱帶地區濕地CH4通量較之前更強（Lunt et al., 2019），高緯凍土融化也造成了CH4的加速釋放（Tenkanen et al., 2021），這兩個區域均能提供重要的氣候變化反 饋 信 息（Palmer et al., 2021; De Vrese et al.,2021）。受限于當前衛星在局地尺度低探測效率的影響和地基觀測站點的稀疏分布，這些重要CH4源區的有效觀測數據量嚴重不足，其通量估計仍存在很大不確定性。綜合衛星探測覆蓋范圍廣、地基探測數據精度高的特點，可以為區域CH4通量的準確估算奠定堅實的數據基礎。同時，目前粗網格的大氣化學傳輸模型在空間尺度、傳輸過程和化學機制模擬等方面均存在很大的誤差（Saito et al.,2013; Stanevich et al., 2020; Murray et al., 2021），造成CH4通量反演結果與真實觀測之間出現較大差異，嚴重約束了對CH4源匯分布特征的認識。為了滿足覆蓋局地至國別尺度的通量計算要求，大氣化學傳輸模型應建立起包括全球尺度、中尺度、城市尺度和點源尺度的多模型方案（劉毅等,2021），構建模式誤差矯正方案，實現不同尺度CH4通量的精確估算，支撐不同空間尺度的排放清單驗證。

石化和油氣等行業的減排是實現碳中和的重要途經之一，基于高時空分辨率星載探測的CH4動態監測與量化，還需要CH4煙羽快速識別和排放量估算方法的支撐。目前，由于反演算法計算效率的限制，短波紅外探測CH4煙羽仍無法實現快速的排放異常提取，結合多波段探測、神經網絡等方法分析探測光譜特征可在一定程度上加速CH4煙羽識別和排放量估計。此外，CH4煙羽排放量估算受到區域風速和風向不確定性的影響較大，如何進一步修正模型，降低模型、風場、衛星觀測數據的不確定性也是急需解決的關鍵問題。

5 展望

面對全球氣候變化的緊迫情況，實現碳中和目標最有效的方式就是進行合理的溫室氣體排放控制。相較于CO2，CH4具有較短的壽命，且其對氣候的增溫效應在20年的時間尺度上可達到CO2的80倍，因此減少CH4排放是實現碳中和、減緩氣候變化短期目標的最理想方案。目前，CH4對全球氣候的影響已引起了科學界的共同關注，CH4減排在COP26會議中已成為《巴黎協定》和碳中和目標下世界各國的基本共識。

本文從CH4減排的角度切入，闡述了全球碳盤點及碳中和目標進程中CH4減排計劃面臨的關鍵科學問題，并針對這兩個科學問題，討論了開展CH4星載探測的必要性和重要性。星載CH4探測旨在獲取時空連續的全球CH4濃度分布情況，對于評估減排效能、核算全球和區域碳收支、預測大氣CH4濃度變化對氣候系統的影響具有重要的數據支撐作用。基于現有的CH4探測衛星，本文總結了目前星載CH4探測的主要技術特點及不足之處，提出了碳中和目標下星載CH4探測的關鍵需求，從時空采樣、探測方式、探測精度等多個方面說明了衛星組網探測的發展趨勢。在提升綜合探測能力的基礎上，高精度數據產品的獲取及應用是加深CH4源匯認識，開展有效CH4減排的重要前提。衛星遙感反演算法的精度改善、計算效率提升是CH4排放動態監測和衛星業務化運行的重要支撐，通量計算方法的模型改進和分辨率細化是實現不同空間尺度排放準確估算和研究的基礎，而實現CH4排放動態監測也需要快速煙羽識別方法及排放量估算方案的不斷優化。

中國作為溫室氣體排放大國，借鑒國際上相關衛星的經驗，發射了一系列用于溫室氣體及碳循環研究的衛星，包括碳衛星、高分系列、資源系列等，其中碳衛星在高精度衛星CO2產品和碳通量估算中均取得了顯著的成果，為后續的研究計劃提供了理論和技術基礎。目前，國內針對CH4探測的衛星和相關研究仍較少，星載探測作為支撐科學結論的基礎工具，關系著碳中和目標的實現進程以及在國際社會談判中的話語權，因此，有必要通過建設CH4星載探測能力，實現高時空分辨率、高精度的大氣CH4濃度的立體監測，構建集“探測—數據—核算”為一體的衛星應用體系，為中國低碳可持續發展戰略提供天基科技支撐。