國(guó)際溫室氣體監(jiān)測(cè)衛(wèi)星任務(wù)及展望

文 | 白青江 時(shí)蓬 尤亮 范全林

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心

一、引言

全球氣候變化已成為制約人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)，地球大氣層溫室氣體濃度升高是導(dǎo)致全球變暖的重要因素。世界氣象組織（WMO）2022 年溫室氣體公報(bào)顯示，2021 年主要溫室氣體的全球大氣平均濃度達(dá)到新高，其中二氧化碳（CO2）為415.7±0.2ppm，甲 烷（CH4）為1908±2ppb，氧化亞氮（N2O）為334.5±0.1ppb。這些數(shù)值分別為工業(yè)化前（1750 年前）水平的149%、262%和124%。CO2是大氣中最重要的人為溫室氣體，約占長(zhǎng)壽命溫室氣體（LLGHG）輻射強(qiáng)迫的66%；CH4雖屬痕量氣體，但也有約16%的“貢獻(xiàn)”，具有“壽命短”“增溫大”的特點(diǎn)，且在100 年時(shí)間尺度上其全球增溫潛勢(shì)（GWP）可達(dá)到CO2的28 倍、在20 年尺度上CH4的GWP 更是CO2的84 倍，成為引起氣候變化的第二大因素。

減少溫室氣體人為排放是緩解全球增溫趨勢(shì)和改善大氣環(huán)境質(zhì)量的最主要途徑，其主要著力點(diǎn)之一就是減少CO2和CH4兩類最重要溫室氣體的人為排放，制定科學(xué)有效的減排方案并對(duì)其減排效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。與傳統(tǒng)的地基網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)相比，空間對(duì)地觀測(cè)能提供較高時(shí)空分辨率的全球范圍和區(qū)域尺度的CO2和CH4源匯分布和濃度變化等科學(xué)數(shù)據(jù)，支撐全球大氣成分的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和全球碳盤點(diǎn)計(jì)劃。2015年《巴黎協(xié)定》提出了利用可測(cè)量、可報(bào)告、可核查的“三可”（MRV）方法體系建立一個(gè)透明框架，監(jiān)測(cè)能源和化石燃料密集型國(guó)家的人為排放。通過衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)人為碳排放，對(duì)國(guó)家排放清單進(jìn)行驗(yàn)證和補(bǔ)充勢(shì)在必行。

眾多航天國(guó)家和機(jī)構(gòu)都非常重視主動(dòng)應(yīng)對(duì)國(guó)際氣候變化，碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星已經(jīng)從致力于解決從無(wú)到有、提高干燥空氣下的CO2柱濃度（XCO2）探測(cè)精度的第一代任務(wù)，向主被動(dòng)結(jié)合、組網(wǎng)觀測(cè)以服務(wù)全球碳盤點(diǎn)清單校核的新一代衛(wèi)星任務(wù)快速發(fā)展[1-2]。鑒于控制CH4排放對(duì)緩解全球增溫具有顯著效果，致力于快速定位點(diǎn)排放源并定量監(jiān)測(cè)CH4排放量，發(fā)展搭載探測(cè)和專用衛(wèi)星正成為溫室氣體監(jiān)測(cè)衛(wèi)星新熱點(diǎn)[3]。我國(guó)被西方認(rèn)為是碳排放量最大的國(guó)家，面臨碳中和戰(zhàn)略需求、國(guó)際氣候談判的挑戰(zhàn)以及負(fù)責(zé)任大國(guó)擔(dān)當(dāng)?shù)牧x務(wù)。因此，亟需動(dòng)態(tài)掌握國(guó)際溫室氣體監(jiān)測(cè)衛(wèi)星任務(wù)現(xiàn)狀和發(fā)展態(tài)勢(shì)，有針對(duì)性地布局發(fā)展支撐我國(guó)碳中和、碳達(dá)峰目標(biāo)的搭載載荷和專用衛(wèi)星監(jiān)測(cè)體系，以維護(hù)我國(guó)在全球碳核查中的核心利益。

基于此，本文系統(tǒng)梳理了全球當(dāng)前在軌溫室氣體監(jiān)測(cè)任務(wù)，介紹了美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）及國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）、歐洲航天局（ESA）、歐洲氣象衛(wèi)星開發(fā)組織（EUMETSAT）、日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）、法國(guó)國(guó)家空間研究中心（CNES）和德國(guó)航空航天中心（DLR），以及加拿大溫室氣體衛(wèi)星公司（GHGSat）等國(guó)家或地區(qū)的機(jī)構(gòu)和企業(yè)在研和規(guī)劃確定的溫室氣體監(jiān)測(cè)任務(wù)，可為我國(guó)未來(lái)多渠道布局相關(guān)空間對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，以便為準(zhǔn)確“摸清家底”、達(dá)成“雙碳”目標(biāo)提供有益參考。

二、全球在軌溫室氣體監(jiān)測(cè)衛(wèi)星總覽

空間溫室氣體監(jiān)測(cè)最早源于對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星載荷搭載。ESA 已經(jīng)退役的環(huán)境衛(wèi)星（Envisat）搭載的掃描成像吸收光譜大氣制圖儀（SCIAMACHY）是首個(gè)實(shí)現(xiàn)對(duì)流層和平流層的溫室氣體全球測(cè)量的空間探測(cè)載荷，奠定了歐洲世界溫室氣體空間探測(cè)起步早的歷史地位。歐盟已將溫室氣體空間遙感列入高優(yōu)先級(jí)空間觀測(cè)計(jì)劃，全面布局了相關(guān)的科學(xué)衛(wèi)星、業(yè)務(wù)衛(wèi)星和搭載載荷。

日本2009 年1 月23 日發(fā)射的呼吸號(hào)溫室氣體觀測(cè)衛(wèi)星（IBUKI/GOSAT）是世界上首顆對(duì)地球大氣CO2、CH4和O3開展觀測(cè)的專用衛(wèi)星，配置了兩個(gè)碳觀測(cè)載荷——熱&近紅外傅里葉變換光譜儀（TANSO-FTS）、熱&近紅外云和氣溶膠成像儀（TANSO-CAI），前者探測(cè)溫室氣體，后者校正云和氣溶膠對(duì)前者光譜的散射干擾，提高反演精度。GOSAT 衛(wèi)星目前仍在軌運(yùn)行，并與2018 年10 月29 日升空的繼任者GOSAT-2 遂行協(xié)同觀測(cè)。

美國(guó)擁有世界最強(qiáng)大的空間對(duì)地觀測(cè)能力。NASA 曾于2009 年2 月24 日發(fā)射了一顆碳觀測(cè)衛(wèi)星（OCO），因火箭故障而致任務(wù)失敗，但OCO-2衛(wèi)星于2014 年7 月2 日順利入軌。目前NASA 會(huì)同NOAA 運(yùn)行著數(shù)量眾多的溫室氣體科學(xué)觀測(cè)和業(yè)務(wù)觀測(cè)衛(wèi)星及探測(cè)載荷、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)全球溫室氣體監(jiān)測(cè)有著舉足輕重的影響。

表1 給出了迄今仍在軌的溫室氣體觀測(cè)空間任務(wù)，包括5 個(gè)專用任務(wù)（含1 個(gè)立方星星座）及20 余個(gè)兼顧溫室氣體目標(biāo)的綜合性對(duì)地觀測(cè)空間任務(wù)，以及國(guó)際空間站（ISS）搭載。

這些空間任務(wù)在地球大氣和環(huán)境監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著重要作用，為全球碳循環(huán)、氣候變化和溫室氣體減排提供了關(guān)鍵的科學(xué)依據(jù)，是第一代溫室氣體監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的主要代表。例如，科研人員利用OCO-2 衛(wèi)星和國(guó)際空間站搭載的OCO-3 的觀測(cè)數(shù)據(jù)，量化了世界排名第五、歐洲最大燃煤電廠波蘭貝爾察托夫發(fā)電站方圓數(shù)百千米內(nèi)的CO2排放。通過對(duì)2017年至2022 年期間該工廠煙塵排放的分析，監(jiān)測(cè)到CO2水平的變化與每小時(shí)發(fā)電量的波動(dòng)一致。研究團(tuán)隊(duì)還監(jiān)測(cè)到因臨時(shí)和永久的設(shè)備關(guān)停減少的工廠總排放量情況。這意味著衛(wèi)星觀測(cè)可用于從源頭追蹤局地范圍內(nèi)的CO2排放和減排情況[4]。

表1 全球在軌溫室氣體監(jiān)測(cè)空間任務(wù)一覽表 （截至2023年4月）

續(xù)表1

三、國(guó)際溫室氣體監(jiān)測(cè)衛(wèi)星未來(lái)任務(wù)

隨著航天技術(shù)升級(jí)，對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星有效載荷的觀測(cè)能力不斷改進(jìn)，但任何單獨(dú)一顆衛(wèi)星都無(wú)法滿足CO2和CH4全球精細(xì)探測(cè)的需求。另一方面，197 個(gè)國(guó)家簽署的《巴黎協(xié)定》提出，自2023 年起每5 年進(jìn)行一次全球碳盤點(diǎn)，評(píng)估各國(guó)減排成績(jī)，并對(duì)行動(dòng)不力的國(guó)家進(jìn)行問責(zé)。此后國(guó)際衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)委員會(huì)（CEOS）提出，將在2025 年建成業(yè)務(wù)化虛擬星座（AC-VC）運(yùn)行，支撐2028 年第二次全球碳盤點(diǎn)。

顯然，對(duì)未來(lái)新一代碳衛(wèi)星的重大要求就是，根據(jù)科學(xué)和應(yīng)用目標(biāo)，將多顆衛(wèi)星組成一個(gè)虛擬的衛(wèi)星星座，通過組網(wǎng)觀測(cè)，以滿足全球溫室氣體清單校核的需求。在此基礎(chǔ)上，還需要通過同化反演系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)碳通量，并區(qū)分和量化人為碳排放、生態(tài)系統(tǒng)碳源匯等。為此，調(diào)研了全球在研和規(guī)劃確定的新一代溫室氣體監(jiān)測(cè)衛(wèi)星及相關(guān)主要載荷（表2），對(duì)不同渠道的代表性國(guó)際任務(wù)進(jìn)行了分析，為后續(xù)相關(guān)工作提供基礎(chǔ)輸入。

不難發(fā)現(xiàn)，歐洲將延續(xù)對(duì)全球變化的投入，通過擴(kuò)大哥白尼計(jì)劃的觀測(cè)能力、發(fā)展第二代氣象業(yè)務(wù)衛(wèi)星載荷，積極掌握碳盤點(diǎn)主動(dòng)；形成鮮明對(duì)比的是美國(guó)因超預(yù)算等原因叫停在研任務(wù)。需要關(guān)注的是，諸多初創(chuàng)企業(yè)和非政府組織（基金會(huì)）開始主動(dòng)介入CH4衛(wèi)星監(jiān)測(cè)，密切關(guān)注占CH4總排放60%的人為排放，而這直接關(guān)乎相關(guān)國(guó)家化石燃料開采、乳畜業(yè)養(yǎng)殖等產(chǎn)業(yè)發(fā)展，其中原因值得玩味。

1．歐洲積極研發(fā)CO2M 等多個(gè)新任務(wù)

長(zhǎng)期以來(lái)歐洲非常關(guān)注全球氣候變化，并把超前的環(huán)境憂患意識(shí)轉(zhuǎn)化為集體決策和行動(dòng)。從表2可以看出，ESA、歐盟（EU）、EUMETSAT 等政府間組織，以及法國(guó)、德國(guó)等歐洲國(guó)家都規(guī)劃部署了溫室氣體空間觀測(cè)任務(wù)，加快研發(fā)針對(duì)人為碳排放的高精度定量監(jiān)測(cè)衛(wèi)星，以期為歐洲提供獨(dú)特和獨(dú)立的碳排放信息源，確保2017 年歐盟針對(duì)溫室氣體人為排放過程提出的可監(jiān)測(cè)、可驗(yàn)證、可支撐（MVS）的建設(shè)需求落地，并跟蹤其對(duì)歐洲脫碳和實(shí)現(xiàn)國(guó)家減排目標(biāo)的影響。

應(yīng)對(duì)全球變暖重大挑戰(zhàn)，歐洲仍在綜合發(fā)力，以保持其空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的世界領(lǐng)先地位。繼我國(guó)大氣一號(hào)衛(wèi)星搭載激光雷達(dá)開展CO2探測(cè)后，德、法正在聯(lián)合研制的灰背隼號(hào)甲烷激光雷達(dá)探測(cè)衛(wèi)星（MERLIN），擬于2024 年發(fā)射，有望提高人們對(duì)全球及區(qū)域尺度，尤其是補(bǔ)充對(duì)冬季高緯度地區(qū)和熱帶多云地區(qū)CH4源匯分布的認(rèn)識(shí)。

地球科學(xué)衛(wèi)星是ESA 空間科學(xué)的重點(diǎn)之一。繼Envisat 后，僅就溫室氣體排放監(jiān)測(cè)這個(gè)主題，在其地球探索者計(jì)劃（Earth Explorer，EE）中，凱爾特號(hào)大氣變化紅外層析成像衛(wèi)星（Cairt）正在開展初步可行性研究；在其未來(lái)地球觀測(cè)計(jì)劃（FutureEO）中，新增了小型偵察兵任務(wù)（Scout），其中正在研發(fā)地球系統(tǒng)過程大氣監(jiān)測(cè)立方星座（EPS-MACCS-A/B/C）。

EU 的哥白尼哨兵擴(kuò)展任務(wù)部署了6 個(gè)新任務(wù)，人為CO2排放監(jiān)測(cè)星座任務(wù)（CO2M）位居其中。2022 年11 月，EU 與阿里安航天公司簽訂發(fā)射5 顆哥白尼計(jì)劃衛(wèi)星，其中就包括計(jì)劃于2025 ～2026 年分別發(fā)射的哨兵7 號(hào)CO2M-A 和CO2M-B兩顆衛(wèi)星。未來(lái)，CO2M 將精確測(cè)量大氣溫室氣體CO2、CH4和污染氣體NO2的濃度，通過區(qū)分CO2是否來(lái)自人為排放，提供有關(guān)各個(gè)國(guó)家、地區(qū)和城市排放量的可靠信息，作為歐盟MVS 能力的空間段部分，助力驗(yàn)證《巴黎協(xié)定》的目標(biāo)和執(zhí)行情況是否得到實(shí)現(xiàn)。

2．美國(guó)取消在研GeoCarb 任務(wù)令人遺憾

表2 在研和規(guī)劃確定的國(guó)際溫室氣體監(jiān)測(cè)衛(wèi)星任務(wù)匯總

令各界關(guān)注的世界首個(gè)地球靜止軌道碳循環(huán)觀測(cè)臺(tái)（GeoCarb），屬于NASA 在2016 年遴選的地球創(chuàng)投任務(wù)（EVM-2），曾擬作為歐洲衛(wèi)星公司（SES）商業(yè)通信衛(wèi)星的搭載載荷，計(jì)劃于2025 年1 月發(fā)射升空，在西經(jīng)85°的地球靜止軌道上，對(duì)西半球北美主要城市和工業(yè)區(qū)、南美熱帶雨林和濕地等重點(diǎn)區(qū)域的溫室氣體CO2、CH4和污染氣體CO等進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，將打破極軌衛(wèi)星重訪時(shí)間長(zhǎng)進(jìn)而可能遺漏氣候變化、碳交換關(guān)鍵信息的局限，通過加大觀測(cè)頻次關(guān)聯(lián)濃度與人為源排放，彌補(bǔ)OCO-2/3 和其他低軌道衛(wèi)星的數(shù)據(jù)缺口，具有重要的科學(xué)和應(yīng)用價(jià)值。但2022 年11 月，NASA 宣布終止GeoCarb 任務(wù)，稱其決定是出于“技術(shù)問題、成本性能和新的替代數(shù)據(jù)源的可用性”[5]。雖然NASA表示還將遴選部署新的溫室氣體監(jiān)測(cè)衛(wèi)星，但發(fā)射窗口不會(huì)早于2030 年。

3．商業(yè)航天已布局CH4 監(jiān)測(cè)立方星座

來(lái)自WMO 全球大氣監(jiān)視網(wǎng)（GAW）計(jì)劃的長(zhǎng)期高質(zhì)量地面觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，自2007 年以來(lái)，全球大氣的CH4呈上升趨勢(shì)，且其增長(zhǎng)速度正在加快；2020 年和2021 年的年度增幅是自1983 年有系統(tǒng)記錄以來(lái)最大增幅[6]。與CO2主要由人類活動(dòng)產(chǎn)生不同，地表CH4的排放源分為自然源和人為源，后者約占60%。但CH4地表測(cè)量提供的“自下而上”信息有限，無(wú)法區(qū)分地表排放量的增加和大氣匯的減少，致使解讀觀測(cè)到的CH4增長(zhǎng)率變化存在巨大困難。2021 年11 月，世界105 個(gè)國(guó)家在美國(guó)、歐盟主導(dǎo)下簽署的《全球甲烷承諾》（我國(guó)暫未加入），反映了國(guó)際社會(huì)對(duì)CH4減排重要性和緊迫性的新認(rèn)知。

除了國(guó)家層面的CH4衛(wèi)星任務(wù)（表2），加拿大溫室氣體衛(wèi)星公司（GHGSat）、美國(guó)軌道伙伴公司（Orbital Sidekick）等眾多初創(chuàng)企業(yè)，敏感看到了溫室氣體觀測(cè)這一生機(jī)勃勃的商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)新風(fēng)口，在CEOS 2014《空間碳觀測(cè)戰(zhàn)略》發(fā)布后，就著手利用立方星[7]等微/小衛(wèi)星平臺(tái)，對(duì)發(fā)電廠、天然氣田和輸送管道等點(diǎn)排放源開展了高空間分辨率的CH4遙感監(jiān)測(cè)。

以GHGSat 為例，該公司規(guī)劃了由12 顆16U立方星構(gòu)成的星座，并于2016 年發(fā)射了首顆演示驗(yàn)證星“克萊爾”（GHGSat-D Claire），其搭載的小型廣角法布里-珀羅（Fabry-Pérot）成像光譜儀于2018 年2 月—2019 年1 月期間多次監(jiān)測(cè)到土庫(kù)曼斯坦西部巴爾干省科爾佩哲油氣田大量CH4泄漏[8]。

此外非贏利性環(huán)保組織美國(guó)環(huán)保協(xié)會(huì)（EDF）、碳 地 圖（Carbon Mapper） 等 也 在 研 發(fā)CH4監(jiān)測(cè)小型衛(wèi)星。美國(guó)的藍(lán)田技術(shù)公司（Bluefield Technologies）也宣布將發(fā)射由20 顆對(duì)流層低層CH4觀測(cè)衛(wèi)星（COOL）構(gòu)成的微小衛(wèi)星星座。

毫無(wú)疑問，煤炭、石油和天然氣等化石能源行業(yè)必須率先行動(dòng)起來(lái)，以降低CH4泄露和排放，這也意味著更高的經(jīng)濟(jì)效益和就業(yè)機(jī)會(huì)。而無(wú)論是出于發(fā)現(xiàn)由于作業(yè)疏忽或技術(shù)問題形成的溫室氣體排放源，還是協(xié)助查找行業(yè)巨頭本可控制的大型CH4逃逸排放，這些初創(chuàng)公司的未來(lái)都給人留下巨大的想象空間。

四、結(jié)語(yǔ)

全球面臨著日益嚴(yán)重的能源危機(jī)、創(chuàng)紀(jì)錄的溫室氣體濃度以及愈發(fā)頻繁的極端天氣事件，已對(duì)人類可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成巨大威脅。國(guó)際社會(huì)已認(rèn)識(shí)到溫室氣體空間監(jiān)測(cè)手段對(duì)于促進(jìn)碳減排不可或缺，并向主被動(dòng)、高低軌、星座組網(wǎng)協(xié)同探測(cè)趨勢(shì)發(fā)展。基于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在要求和構(gòu)建人類命運(yùn)共同體的責(zé)任擔(dān)當(dāng)，我國(guó)已在2020 年宣布了碳達(dá)峰和碳中和的目標(biāo)愿景。我國(guó)溫室氣體衛(wèi)星遙感技術(shù)與歐美相比雖有個(gè)別技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但就高性能輕小型溫室氣體光譜儀等關(guān)鍵有效載荷而言，總體上提升空間仍較大[9-10]。及時(shí)把握國(guó)際溫室氣體監(jiān)測(cè)衛(wèi)星任務(wù)最新態(tài)勢(shì)，做到知己知彼，對(duì)于制定我國(guó)碳盤點(diǎn)衛(wèi)星遙感體系發(fā)展戰(zhàn)略，支持國(guó)家參與氣候變化國(guó)際談判和科技外交將是有益的參考。