面向我国碳中和、碳达峰的大气甲烷观测卫星现状与发展趋势分析

姚璐 杨东旭 蔡兆男 朱思虹 刘毅 邓剑波 田龙飞 尹增山 卢乃锰

1 中国科学院大气物理研究所, 北京 100029

2 湖南省气象科学研究所, 长沙 410118

3 中国科学院微小卫星创新研究院, 上海 201203

4 中国气象局国家卫星气象中心, 北京 100081

1 引言

工业革命以来，加剧的人类生产活动造成了大气中温室气体浓度的显著增加，由此增强的正辐射强迫改变了地球—大气系统的能量收支平衡，引起了全球气候的明显变化。为了缓解全球变暖趋势，达成《巴黎协定》设定的控制全球升温1.5°C以内的目标，中国作为碳排放大国在2020年联合国大会上庄严承诺将于2060年实现“碳中和”。碳中和是指在规定时期内人为移除与人为排入大气的二氧化碳（CO2）当量相互抵消（IPCC, 2018），根据2021年全球财富管理论坛上对碳中和的解读，中国的碳中和目标为包括CO2在内的所有温室气体。作为重要的气候驱动因子，大气中甲烷（CH4）的年平均浓度在2021年已达到1895.32 ppb（1 ppb=10−9）（Lan et al., 2022），约为工业革命前的3倍（Tollefson, 2022）。CH4的温室效应在百年的时间 尺 度 上 可 达 到CO2的28倍（Myhre et al.,2013），对长寿命温室气体人为辐射强迫的贡献约为18%（Forster et al., 2007），相较于化学活性稳定的CO2，控制CH4排放对实现碳中和目标和缓解全球增温具有立竿见影的效果。2021年8月政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第六次评估报告首次强调了CH4减排的重要性，明确了CH4减排对减缓全球升温和改善空气质量的作用。同年11月举行的第二十六届联合国气候变化框架公约缔约方会议（COP26）中，近200个国家共同签署了“全球甲烷承诺（Global Methane Pledge）”，约定到2030年全球CH4排放量较2020年至少减少30%。在本次会议中，中美双方还发布了“关于在21世纪20年代强化气候行动的格拉斯哥联合宣言”，着重强调了CH4排放对于全球升温的显著影响，确认了开展CH4减排行动的迫切性。中国“十四五规划”也首次将加大CH4管控力度列入五年规划之中。因此，减少CH4排放不仅是实现碳中和目标的关键环节，也是缓解全球气候变化的重大需求。同时由于CH4较高的化学活性，其参与大气化学过程并间接造成空气污染，控制CH4排放对改善大气环境质量也具有重要的协同作用。

CH4的来源包括人为活动排放和自然排放两部分，其中总人为排放约占60%。在人为活动排放中，化石燃料使用及相关行业的排放约占35%，农业活动（畜牧业和水稻种植等）及垃圾管理约占56%，生物质和生物燃料的燃烧约占8%（Saunois et al., 2020）；自然源由湿地排放、内陆淡水湖泊排放和地质过程主导，然而利用不同方法计算的各种自然过程排放量之间仍然存在着很大的差异。CH4在对流层大气中被羟基自由基（OH）氧化，是最主要的CH4汇，约占CH4总汇的90%，其他CH4汇还包括平流层光化学反应、土壤氧化等（Saunois et al., 2020）。面对缓解气候变化和实现“碳中和”的目标需求，降低人为CH4排放被认为是短时间内最有效的方式，因此准确定位并监测人为CH4排放量，降低不同空间尺度下CH4通量估算的不确定性，进而加深对CH4源汇的认识是制定科学有效CH4减排方案的前提和关键问题。在过去几十年内，CH4源汇的空间分布、幅度和时间规律均发生了巨大的改变，因此在目前的CH4源汇清单中表现出很大的不确定性（Turner et al.,2019），特别是自然源汇部分，其相对不确定性甚至可高达100%（Saunois et al., 2020）。2019年第49届IPCC全会通过了采用基于大气浓度利用“自上而下”方法验证排放清单的方案，表明准确的全球大气成分探测在通量估算中的重要作用。

卫星遥感探测能够提供较高时空分辨率的全球CH4浓度数据，可以极大地提升对CH4时空动态监测、CH4收支核算及减排措施评估的数据支撑能力。国际卫星对地观测委员会（Committee on Earth Observation Satellites，CEOS）明确表示将于2025年之前建成业务化运行的虚拟星座（Crisp et al., 2018），支撑全球大气成分的动态监测和全球碳盘点计划。国际上在利用卫星遥感监测大气CH4动态变化和估算CH4通量方面均已开展了系统性的研究，积累了丰富的经验，而国内的研究尚处于起步阶段。作为人为CH4排放量最大的国家（Miller et al., 2019），面临碳中和战略需求和国际气候谈判挑战，中国需要将CH4减排作为必要的补充手段。因此，以全球大气CH4探测作为切入点，建立自主的大气CH4收支核算体系，为“双碳”目标的实施效果评估提供科学依据，是一项重要且急迫的任务。面对该项任务，本文总结了碳中和路径下CH4减排所面临的几个关键性问题，并针对这些问题阐述了星载CH4探测的科学需求。在此基础上，文章梳理了星载CH4探测技术的发展现状和阶段性应用实现，结合不同CH4探测卫星的优缺点论述了星载CH4探测及其应用体系的发展趋势，并根据星载CH4探测的通量估算需求，分析了中国下一代碳卫星的整体设计思路，阐明了星载CH4探测在碳中和目标实践中的科学应用潜能。

2 CH4探测特点分析与星载探测需求

缓解全球变暖趋势、实现碳中和目标的主要途径包括减少人为排放、增加碳汇以及能源结构调整等，其中减少CH4的人为排放是最有效的补充手段，那么针对如何制定科学有效的CH4减排方案并对减排效果进行评价这一具体环节，涉及到两个重要科学问题：（1）如何获取全球和区域尺度的CH4源汇分布特征？（2）如何实现准确的人为CH4排放监测和定量估算？在过去几十年内，CH4源汇的时空分布规律发生了巨大的改变而其机理尚不明朗（蔡兆男等, 2021）。基于不同方法估算的CH4源汇通量结果表明，在全球尺度上，CH4源汇通量的不确定性约为±5%，但由于对CH4源汇分布认识的不足，不同纬度CH4源汇通量的不确定性差异显著，北半球高纬度CH4源汇通量不确定性可达±25%（Saunois et al., 2020）；从排放清单上来看，不同部门人为排放的相对不确定性约为20%～35%，生物质燃烧和自然湿地排放的不确定性约为50%，其他自然源的不确定性可高达100%以上（Saunois et al., 2020）。为了应对气候变化条件下的温室气体排放管理，2007年《巴厘岛行动计划》提出了可测量、可报告、可核查的“三可”要求（Measurable, Reportable and Verifiable，MRV），明确了温室气体观测在核查能源和化石燃料密集型国家排放变化中的重要性。2015年《巴黎协定》建立了自2023年开始每5年一次的全球碳盘点约束机制，以科学评估各国自主减排的贡献。2017年，欧盟针对温室气体人为排放过程提出了可监测、可验证、可支撑（Monitoring ＆ Verification Support，MVS）的建设需求，强调了大气成分探测对人为排放研究的重要作用。目前，常规的大气温室气体浓度探测包括地基观测和卫星探测两种方式。

2.1 地基观测

地基观测是最原始的大气成分探测方式，经过长期的站点建设，国际上基于数据标准化原则建立了在全球范围内稳定运行的地基观测网络，主要包括由世界气象组织（World Meteorological Organization，WMO）组建的全球大气观测系统（Global Atmospheric Watch，GAW）和美国大气海洋局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）地球系统研究试验室（Earth System Research Laboratory，ESRL）组建的全球温室气体观测网络（Global Greenhouse Gas Reference Network，GGGRN）。当前国际社会使用的全球温室气体浓度数据大部分来自GAW网络，GAW最主要的观测贡献来源于大气成分变化监测网（Network for the Detection of Atmospheric Composition Chang，NDACC）。其中，附属于GAW和NDACC计划的地基近红外遥感监测网（Total Carbon Column Observing Network，TCCON）探测的XCH4探测精度可达到0.3%以上（https://tccon-wiki.caltech.edu/Main/DataDescription [2022-07-15]），是开展卫星产品验证和大气模拟的主要数据源（Wunch et al.,2011）。协同碳柱观测网络（Collaborative Carbon Column Observing Network，COCCON）采用可移动的便携式光谱仪Bruker EM27/SUN，能够弥补TCCON稀疏的站点分布情况，并且提供与TCCON相近的观测精度和准确性（Alberti et al., 2022），在全球多个地区的局地源排放研究中展现出明显的探测优势（Hase et al., 2015; Chen et al., 2020; Cai et al., 2021; Jones et al., 2021）。我国已经开展了较长时间的温室气体本底观测，近年来也相继加入了TCCON和COCCON监测网络（Yang et al., 2020b;Cai et al., 2021），为GAW计划提供了可靠的地域性数据。

传统的地基观测数据精度高，时间连续性强，且能够提供大气的垂直分布结构，在卫星数据验证、区域排放监测和大气动力过程分析等研究中均具有独特优势。然而，目前大多数地基观测站点均分布在人为活动更为活跃的北半球发达地区，且区域分布密度差异性明显。在热带湿地、北方高纬森林等偏远地区以及海洋表面，地基观测资料十分稀少。这些重点区域代表性观测数据的缺失严重影响了CH4源汇的定量估算和过程分析（Saunois et al.,2020）；此外，复杂地形条件也会严重制约站点观测数据的区域代表性，造成较大空间尺度下粗分辨率通量计算结果出现较大偏差（Wang et al., 2022）。因此，地基大气CH4浓度探测无法提供能够识别和量化不同尺度源汇所需的空间分辨率和覆盖程度。

2.2 卫星探测

为了加深对CH4源汇分布及动态变化的认识，实现不同时空尺度通量的准确估算，有必要从全球、国别、区域和点源尺度进行CH4浓度的监测，而卫星观测能够很好的弥补地基观测的空间局限性这一缺点，以较高的时空分辨率获取高精度的全球覆盖，实现全球范围内CH4的排放监测与追踪。

早期的CH4星载探测主要采用热红外波段，欧美和日本均发射了多颗卫星进行大气成分探测，主要探测器包括Aqua卫星搭载的光栅式红外高光谱探测仪（Atmospheric Infrared Sounder，AIRS）、Aura卫星搭载的对流层发射光谱仪（Tropospheric Emission Spectrometer，TES）、日本GOSAT卫星搭载的热和近红外傅里叶光谱仪（Thermal And Near infrared Sensor for carbon Observation-Fourier Transform Spectrometer，TANSO-FTS），欧 洲MetOp系列卫星上搭载的超高光谱红外大气探测仪（Infrared Atmospheric Sounding Interferometer，IASI）及其新一代版本IASI-NG等。不同卫星的相关研究表明综合利用热红外波段的多波段信息可以获取准确的对流层中高层CH4浓度信息（Crevoisier et al., 2009; Payne et al., 2009; Xiong et al., 2013），并能实现大气CH4廓线的全天时观测，这些卫星的长期观测为全球CH4的时空分布及变化特征研究提供了大量数据资料，并为卫星遥感技术监测大气成分积累了宝贵的经验。

热红外波段探测的中高层大气CH4信息有助于了解大气CH4的背景状态和传输过程，但由于地表和近地表大气在热红外波段的发射辐射相似，从光谱中难以将两者进行区分，因此热红外波段对近地面大气CH4浓度的变化并不敏感，这无法满足CH4减排目标下对近地面排放过程的探测需求。面对碳中和目标下CH4减排需解决的两个关键问题，CH4星载探测的主要目的在于获取准确的时空连续的近地面大气CH4浓度数据。短波红外波段光谱包含特征差异显著的CH4吸收信号与地表反射信号，根据CH4柱浓度相对于CH4廓线的敏感性对比分析结果，短波红外波段对近地面大气CH4变化十分敏感，更适用于进行CH4的排放过程监测（Worden et al., 2015）。

3 星载CH4探测技术及其发展现状

3.1 CH4探测卫星现状

为了获取近地面的CH4浓度时空分布和变化情况，近年来，短波红外CH4星载探测技术迅速发展，国内外相继发射了多颗短波红外探测卫星，开展了一系列CH4探测及相关应用研究，实现了CH4的空间探测。这一阶段发射的科学实验卫星促进了CH4卫星遥感反演算法和通量反演算法的发展，为空间探测能力的提升、数据产品的生产和直接应用奠定了技术基础，并从探测数据精度和通量估算等方面说明了短波红外探测在全球CH4源汇收支估算中的应用潜力。表1总结了已结束和仍在轨运行的CH4探测卫星的探测性能。

表1 已结束及在轨运行的星载CH4探测卫星性能总结Table 1 Instrument characteristics of ended and in-orbit CH4 satellites

欧空局发射的ENVISAT（ENVIronmental SATellite）卫星上搭载的SCIAMACHY（SCanning Imaging Absorption spectrometer for Atmospheric CartograpHY）探测仪，是首个采用短波红外波段进行温室气体测量的星载探测器。SCIAMACHY具有星下点、临边、掩星三种探测方式，在星下点模式下，水平分辨率为30 km×60 km，覆盖包括紫外、可见光以及近红外在内的8个光谱波段，其中短波红外CH4探测波段的光谱分辨率为 0.26 nm。随着对仪器校正理解的深入，遥感反演算法和验证方法的发展，SCIAMACHY探测XCH4的精度不断提升，在全球CH4排放热点监测和通量计算中得到了初步的探索性应用（Schneising et al., 2014;Buchwitz et al., 2017）。然而，由于空间分辨率和信噪比的限制，SCIAMACHY单个探测点的CH4观测精度仍然较低，XCH4区域系统性偏差约为11～15 ppb，难以满足区域通量反演的数据质量要求（Buchwitz et al., 2015）。欧空局哨兵2号（Sentinel-2，S2）卫星星座搭载的多光谱探测仪能够实现可见光至短波红外波段连续的全球探测，可对地表较强CH4点源烟羽排放和泄露过程进行动态监测（Varon et al., 2021）。

日本温室气体探测卫星GOSAT和GOSAT-2分别搭载了由傅里叶变换光谱仪（Fourier-Transform Spectrometer，FTS）以及云与气溶胶成像仪（Cloud and Aerosol Imager，CAI）组合而成的TANSO和TANSO-2探测器进行温室气体测量。FTS用于记录地表反射的太阳短波红外辐射光谱和地表大气发射的热红外辐射光谱，CAI用于获取云和气溶胶信息。GOSAT和GOSAT-2均采用太阳同步轨道，于当地时13:30经过赤道，重访周期为3天，地面观测点是半径为10.5 km的圆形，在短波红外波段采用1.56 μm～1.72 μm的光谱窗口进行CH4探测。TANSO-2在前一代的基础上进行了升级，通过扩大孔径提高了信噪比，从而提升了在高纬度地区的探测能力。为了尽量避免云层对探测的干扰，TANSO-2新增了智能指向系统，使探测器能够自动指向视场中的无云区域，有助于提升GOSAT-2的有效数据量（Suto et al., 2021）。

随着对全球气候变化研究的深入和温室气体星载探测技术的成熟，2017年起CH4探测卫星数量开始了跨越式增长，多颗基于短波红外波段的CH4探测卫星的发射推动了全球CH4探测和应用研究的飞速发展。2017年10月，欧空局成功发射了哨兵5号卫星的先导卫星（Sentinel 5 Precursor，S5P），其上搭载的对流层探测仪TROPOMI（TROPospheric Monitoring Instrument）采用推扫式进行天底探测，扫描幅宽2600 km，每日可覆盖全球一次，全球空间水平分辨率为7×7 km2（2019年8月提升为5.5×7 km2），可对全球CH4浓度信息实现高效监测。S5P卫星的发射标志着CH4星载探测由科学实验型向业务化运行模式的转变。TROPOMI探测具有高时空分辨率和高信噪比，为局地和排放监测和排放量量化研究奠定了高质量的数据基础。

中国也陆续发射了一系列卫星开展了大气CH4探测。高分5号（GF-5）卫星搭载的大气温室 气 体 探 测 仪（Greenhouse gases Monitoring Instrument，GMI）采用空间外差光谱技术（Spatial Heterodyne Spectroscopy，SHS）获取近红外至短波红外波段（759～2058 nm）范围内的光谱信号，具有信噪比高、无动镜等特点（陈良富等, 2021）。GMI的光谱范围与SCIAMACHY类似，光谱分辨率与TANSO-FTS相同，能够获取CH4和CO2等温室气体的浓度信息，为温室气体的源汇分析提供数据支持（孙允珠等, 2018）。风云3D卫星（FY-3D）搭载的高光谱温室气体监测仪（GAS）采用干涉分光方式获取近红外至短波红外范围内4个波段窗口的高分辨率光谱（Bi et al., 2022），用于获取CH4、CO2等大气成分的浓度信息，改善区域尺度上地表温室气体通量的定量估算。

商业卫星的主要探测目标集中在局地尺度的油气工业排放区，通过获取高空间分辨率的影像数据进行排放估算，商业卫星的发展也为局地尺度的CH4排放监测创造了极佳的条件，对全球星载CH4探测能力进行一定的补充，主要包括加拿大的GHGSat系列卫星、SCISAT-1卫星和意大利的PRISMA卫星。GHGSat系列卫星预计构建一个CH4探测星座，现已发射了3颗微小卫星GHGSat-D（C1和C2），主要为全球工业化生产过程提供精确的CH4排放监测。三颗卫星搭载的主要载荷是一台广角法布里珀罗（F-P）成像光谱仪，能够获取0.1 nm光谱分辨率的短波红外波段光谱，并提供精度约为1%的大气CH4浓度信息。GHGSat系列卫星最突出的优势在于其极高的空间分辨率，约为30～60 m（Jervis et al., 2021），在兼具高光谱分辨率和高空间分辨率的组合条件下，GHGSat系列卫星对工业生产规模下的CH4排放监测和量化具有绝佳的优势。

3.2 规划中的CH4探测卫星与载荷

现有的大部分CH4探测卫星聚焦于短波红外波段的CH4科学探测试验，完成了短波红外CH4探测从无到有的突破，在这些卫星探测的基础上，短波红外CH4探测技术、反演算法及通量同化算法得到了快速的发展。随之而来的算法的成熟及应用也对星载CH4探测的时空覆盖程度、数据精度提出了更高的要求。为了满足科学研究的数据需求，当前多颗CH4探测卫星正处于筹备阶段，未来会加入到星载探测队列中，表2总结了计划发射的CH4探测卫星的基本性能。

表2 计划中的CH4探测卫星性能总结Table 2 Instrument characteristics of scheduled CH4 satellites

欧盟的哥白尼哨兵5号（Sentinel 5，S5）计划采用一台紫外线/可见/近红外/短波红外光谱仪（UVNS），对CH4及多种痕量气体进行综合观测。UVNS利用1.67 μm和2.3 μm两个短波红外波段进行CH4探测，光谱分辨率为0.25 nm，其扫描幅宽、时空分辨率均与TROPOMI基本一致（Checa-Garcia et al., 2015）。欧 洲CO2M卫 星 是 欧 洲MVS的空间组成部分，拟采用卫星组网的方式进行全球温室气体探测，在补充地基观测的同时提供高时空分辨率的人为排放监测。CO2M计划于2025年发射2颗哨兵7号卫星，采用260 km以上的幅宽（Sierk et al., 2021），以2 km×2 km的高空间分辨率进行CH4、CO2等温室气体的高精度探测，预计CH4和CO2的精度可分别达到10 ppb和0.7 ppm（1 ppm = 10−6）（Meijer et al., 2020）。UVNS和CO2M同时兼具NO2等关键空气质量痕量气体和气溶胶信息的探测能力，能够有效监测人为排放过程。

中国第二代碳卫星（TanSat-2）借鉴了国际温室气体探测卫星的技术经验，在第一代碳卫星（TanSat）的基础上，补充对CH4和CO的探测能力，在维持光谱高分辨率和信噪比的前提下，通过拓展扫描幅宽提升全球探测能力，为区分人为源和自然源提供数据支持。此外，中国计划发射的FY-3H卫星将搭载第二代大气成分探测仪（GAS-2），GAS-2计划采用100 km的扫描幅宽，以3 km的空间水平分辨率进行全球CH4探测，提高全球探测效率，GAS-2使用的光栅光谱仪预期信噪比为300，可实现高精度的大气CH4探测目的（https://space.oscar.wmo.int/instruments/view/gas_2 [2022-07-04]）。日前，中国发射了一颗大气环境监测卫星（DQ-1），运行于705 km的太阳同步轨道，其上搭载了世界首颗气溶胶和碳监测激光雷达，在陆地和海洋表面的水平空间分辨率分别为50 km和100 km（Han et al., 2018）。DQ-1通过主动发射1572 nm波段的激光信号对全球大气CO2进行高精度探测，同时利用532 nm和1064 nm波段获取高空间分辨率的云和气溶胶信息，预计可获得1 ppm探测精度的CO2浓度数据（Wang et al., 2020）。下一代大气环境监测卫星（DQ-2）将在此基础上进一步拓展功能，计划采用主被动联合探测的方式，以千米级空间分辨率实现CH4、CO2等温室气体的高精度综合探测，兼具宽覆盖、高精度的双重优势（http://www.spacechina.com/n25/n2018089/n2018146/c3526 478/content.html [2022-07-04]）。

美国环保协会分支机构计划于2023年发射MethaneSAT卫星，该卫星将以目标模式运行，大约每4天就会对全球80%以上的油气产业区的CH4排放情况进行量化监测，其上搭载的高灵敏度成像光谱仪能够获得精度最高为2 ppb的XCH4数据（Rohrschneider et al., 2021）。MethaneSAT具有100 m×400 m的高空间分辨率和260 km的扫描幅宽，能够捕获大尺度范围内的区域总排放，并通过高分辨率的区域排放监测准确定位主要排放热点，为点源的排放估算提供便利条件（Rohrschneider et al., 2021）。

地球静止探测卫星能够获取特定地区长时间序列的大气CH4浓度分布情况，有助于深入对区域尺度源汇变化和气候系统响应的探索研究。美国宇航局NASA即将发射的GeoCarb是第一颗从地球静止轨道（GEO）进行CH4等温室气体探测的卫星，其从35800 km的高空以5～6 km的空间分辨率获取扫描区域内的大气CH4和CO2浓度信息，每天可以进行至少两次探测（Somkuti et al., 2021）。GeoCarb扫描纬度范围为50°S～50°N，覆盖了美洲的主要城市和工业区域、大型农业区以及广阔的南美热带森林和湿地（Moore III et al., 2018），其探测结果有助于获取区域CH4通量的变化情况，加深对碳循环和气候变化之间关系的认识。

采用短波红外波段的被动遥感探测通常会受到云层的干扰，造成有效数据量的极大降低（Dupuy et al., 2016）。激光雷达主动探测采用差分技术和选择性采样方案，可以利用激光斑点较小的特性穿透云层之间的空隙进行探测，降低云层对探测数据量的影响，且不受光照时间的限制，是一种更为灵活的探测方式。MERLIN（Methane Remote Sensing Lidar Mission）是德国航天局（DLR）和法国航天局（CNES）联合研制的一颗激光雷达主动遥感探测卫星，计划于2027年发射，其首次使用积分路径差分吸收（IPDA）激光雷达进行CH4探测，能实现全天候的全球CH4探测，预期可获得的全球XCH4探测精度可达到27 ppb，区域系统误差低于3.7 ppb（Ehret et al., 2017）。由于激光雷达选择性采样、探测斑点小可穿透云层缝隙的特性，MERLIN探测能够大幅降低云层的干扰，增加赤道多云地区的有效观测数据量，同时主动探测信号强度的稳定保证了冬季高纬地区的探测能力，这些特性使得MERLIN的探测结果有助于提升对部分多云地区和冬季半球高纬CH4源汇分布的认识。

3.3 星载CH4探测数据的获取和应用

准确的星载CH4探测数据的获取还需要高精度CH4卫星遥感反演算法的支持，卫星探测CH4数据产品的质量通常取决于探测仪器和反演参数的选择。短波红外探测具有对近地面 CH4浓度变化敏感的优点，但短波红外吸收光谱易受到干扰气体、温度、云和气溶胶等大气和地表参数的影响，引入较大误差。高精度反演算法的目标就是降低干扰因素的影响，从有效光谱信息中获取目标气体的浓度信息。国际上利用SCIAMACHY卫星和GOSAT卫星探测光谱建立了多种温室气体卫星遥感反演方法，其中目前应用最为广泛的为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等含量稳定的大气成分作为代表物，修订CH4探测波段中云和气溶胶对光程的影响，从而提取有效的CH4浓度信息，这要求云和气溶胶对目标气体和代表气体所处波段内的光程影响相当，因此通常仅适用于同时覆盖1.6 μm CO2和CH4吸收带波段的卫星探测。英国莱斯特大学开发的UoL-Proxy算法获取的GOSAT数据产品经TCCON验证，单点探测精度为13.72 ppb，全球整体偏差约为9.06 ppb（Parker et al., 2020）。研究表明利用Proxy方法反演的XCH4精度会明显受到代表气体XCO2精度、光程及系统性误差修订的影响，反演结果精度约为0.6%～2%（Butz et al.,2010）。

WFM-DOAS算法基于经典的差分吸收光谱技术，利用探测目标气体柱总量的权重函数代替吸收截面参与差分吸收光谱的拟合。WFM-DOAS算法最初建立在SCIAMACHY探测光谱基础上，实现了多种气体柱浓度的反演（Buchwitz et al., 2004,2006）；现已被应用于TROPOMI的XCH4和XCO反演中，可获得与全物理算法反演结果一致性较高的数据产品。地基验证结果表明WFM-DOAS算法获取的XCH4随机误差为14.0 ppb（0.8%），系统误差为4.3 ppb（0.2%）（Schneising et al., 2019）。WFMDOAS 反演算法对光谱分辨率要求相对较低，但是对光谱定标精度、气象场（如温湿廓线、压强）等辅助参数的精度要求较高，并且受云的影响较大。

全物理反演算法利用正演模型模拟信号的大气辐射传输过程，能够大幅降低辐射传输过程中散射造成的光路不确定性引起的误差，通常具有较高的反演精度。国际主流的温室气体卫星遥感反演算法主要包括GOSAT标准算法NIES-FP（Yoshida et al., 2011, 2013），NASA开发的OCO-2标准算法ACOS（Crisp et al., 2012; O'Dell et al., 2012），英国 莱 斯 特 大 学 开 发 的UoL-FP（Boesch et al.,2011），TROPOMI的标准算法RemoTeC（Butz et al., 2010, 2011; Hu et al., 2016）以及中国碳卫星标准算法IAPCAS（Deng et al., 2014）等。利用这些算法可以从卫星短波红外探测光谱中获取高精度大气XCH4和XCO2数据产品。随着对反演结果误差分析的深入以及对产品精度要求的提升，以上算法不断更新优化，目前TROPOMI和GOSAT反演的XCH4精度已得到极大改进，利用RemoTeC改进算法获取的TROPOMI探测XCH4反演精度已达到−3.4±5.6 ppb（Lorente et al., 2021），高 精 度XCH4数据产品的获取为实现大气CH4收支估算奠定了数据基础。IAPCAS算法是面向中国TanSat卫星的数据应用而研发的（Yang et al., 2015），利用该算法可以从TanSat探测光谱中获取1.47 ppm的 高 精 度XCO2数 据 产 品（Yang et al., 2020a），并具有从GOSAT光谱获取XCH4和XCO2数据的能力（刘毅等, 2013; Deng et al., 2014），该算法的建立及其在多星反演中的成功应用为我国后续卫星任务的实践奠定了算法基础。

估算全球和区域的CH4收支能力能够帮助提高对CH4源汇分布的认识，并为应对未来气候变化提供参考。目前的通量估算方法主要分为“自下而上”和“自上而下”两种方式。“自下而上”方法基于排放清单、站点观测通量或者网格尺度的模拟通量数据进行空间尺度外推，是传统的碳收支估算手段，由于受到数据资料时效性低的影响，该方法计算结果通常具有滞后性，难以及时捕捉源汇的动态变化（朴世龙等, 2022）。“自上而下”方法主要基于探测获取的大气成分浓度数据和排放清单数据，利用大气化学传输模式，通过数据同化方法进行通量估算。已有研究表明，与仅使用地基观测相比，利用卫星观测数据进行通量估算能够降低约85%的不确定性（Yang et al., 2017）。但是该方法对探测数据精度具有严格的要求，1%的区域或时间相关的系统性偏差都会影响通量反演结果的有效性（Bergamaschi et al., 2009）。基于大气化学传输模式及高精度卫星XCH4数据产品，多个团队开展了CH4通量估算研究，大量研究表明在反演中使用卫星探测数据能够显著降低不同区域反演通量的不确定性，为“自下而上”的CH4排放清单和湿地排放模型提供了重要的验证资料（Turner et al., 2015; Bergamaschi et al., 2015）。目前，GOSAT数据被广泛应用于地表CH4通量估算中，助力全球和区域尺度的CH4源汇分布和变化情况分析，在评估不同部门对CH4排放贡献（Maasakkers et al., 2021; Zhang et al., 2021），深入认识CH4源汇分 布 变 化 及 其 对 气 候 影 响（Zhang et al., 2018;Maasakkers et al., 2019; Feng et al., 2022）等方面提供了可靠证据。TROPOMI具有较高的时空分辨率，其探测数据量和数据精度也远高于GOSAT，能够在精细尺度的通量估算中发挥优势（Qu et al.,2021）。这些研究结果为全球甲烷预算和进一步认识CH4源汇变化提供了科学数据支撑。

高时空分辨率的星载CH4数据产品能够直接反映CH4的人为排放过程。TROPOMI在CH4排放监测及其排放量估算中表现出了时空连续的探测优势（Pandey et al., 2019），其高精度探测能力同样为区域面源的CH4排放监测和量化创造了条件（Zhang et al., 2020）；结合同步探测的大气CO浓度数据，可以脱离大气传输模型对局地CH4排放的稳定性进行独立评估（Plant et al., 2022）。高空间分辨率的GHGSat系列商业卫星旨在获取工业生产中的CH4点源排放，通过识别精细尺度的CH4排放烟羽，在局地排放监测和排放量估计中得到了广泛应用（Varon et al., 2020）。

3.4 存在的不足

星载CH4探测显著提高了地面温室气体观测网络的时空分辨率和覆盖范围，为全球CH4的定量研究提供了大量有效数据。然而针对不同时空尺度的CH4收支估算和排放监测的具体目标，因受制于卫星轨道、传感器性能和遥感反演算法，目前的星载CH4探测尚无法提供可满足不同目标需求且与地基探测精度相当的探测数据。

当前大部分CH4探测卫星采用太阳同步的极地轨道，极轨卫星通常具有约16天的较长重访周期，虽然TROPOMI的宽扫描幅宽已大幅缩短了实现全球探测所需的时间，但是其非连续的空间采样方式仍无法满足不同尺度通量准确估算的要求。此外，目前星载CH4探测卫星主要利用短波红外波段捕捉近地面的CH4排放情况，而短波红外波段极易受到大气环境状态（如云、气溶胶、水汽和温度）的影响，有效数据量受到严重约束，且无法开展全天时全天候的CH4探测。此外，为了平衡卫星的综合探测性能，CH4星载探测的幅宽和空间分辨率无法同时获得最佳状态，这导致单颗卫星探测难以解决探测时空覆盖度不足的关键问题。

针对CH4排放动态监测这一具体目标，星载CH4探测需要识别出较小区域尺度内高于大气背景状态的气体浓度来量化排放速率，这要求星载CH4探测同时具备较高的空间分辨率和探测灵敏度。针对CH4通量估算，也需要提供高精度的卫星探测数据产品（＜10 ppb）以实现区域通量准确估算的要求（GHG-CCI, 2020）。受制于载荷光谱分辨率和信噪比，现有的遥感反演算法获取的XCH4数据产品精度约为1%，无法满足区域源汇定量研究中单点探测精度小于9 ppb的需求（GHG-CCI,2020）。因此，提高载荷探测性能指标，优化反演算法中的地表和气溶胶等严重约束反演结果的模型仍然是急需解决的关键问题。

基于观测数据和大气化学传输模型的同化方法是支撑全球碳盘点的重要补充手段，然而目前的大气化学传输模型的空间分辨率仍较为粗糙，难以覆盖局地至全球不同空间尺度下的通量计算要求；大气化学传输模式及关键CH4源汇模型是通量计算的核心内容，采用不同模式计算的通量结果往往存在一定的差异，此外随着气候状态的改变，CH4源汇分布及其过程也发生了相应的变化，因此模型的更新、优化与通量计算结果的优劣息息相关；代表性数据和排放清单的差异也会对通量计算结果产生重要影响。基于同化算法的通量计算过程需要耗费大量的计算资源，目前的同化算法在进行大规模运算时计算效率仍然较低，尚不足以满足业务化运行需求。

4 星载CH4探测的发展趋势

4.1 星载CH4探测系统发展趋势

为了满足全球碳盘点和碳中和的战略需求，针对CH4排放动态监测和不同尺度通量估算这两个关键科学问题，CH4探测卫星需要提供能够分辨出局地至区域尺度源汇的CH4浓度变化信息，对此全球气候观测系统（Global Climate Observing System，GCOS）提出温室气体卫星探测的具体任务目标应满足5～10 km的空间分辨率，4 h的时间分辨率和10 ppb的CH4探测精度（GCOS, 2016）。根据现有CH4探测卫星任务的技术手段，单颗单一探测方式的卫星无法完成全球探测任务，而不同探测手段的卫星探测目的也各不相同。为了实现不同尺度的探测和研究需求，有必要采取主被动、高低轨相结合的方式构建星座体系开展协同探测。通过综合应用多颗卫星探测结果，为碳中和相关减排措施的有效性评估和全球碳盘点计划提供科学支撑。高精度探测结果首先依赖于探测到的高分辨率和高信噪比光谱数据，现有研究表明当短波红外信噪比优于300，且光谱分辨率优于0.1 nm时，全物理反演算法获取的XCH4数据产品精度可控制在10 ppb以内（邓剑波, 2015）。

地球静止轨道卫星可以对目标区域进行长时间连续探测，能够弥补极轨卫星时间分辨率的不足，采用3颗位于85°W、20°E和105°E的地球静止卫星即可满足美洲、欧洲、非洲及东亚地区的连续观测（刘毅等, 2021），然而地球静止卫星的轨道高度和探测器性能使其具有较低的空间分辨率，无法对局地点源的排放形成有效探测。此外，为了满足高纬和极区的高质量连续探测需求，高椭圆轨道卫星的补充探测是一项可行的选择（Trishchenko et al., 2019）。因此，高低地球轨道卫星结合的探测方式可以弥补全球CH4探测的时间连续性，为CH4排放监测提供数据保障和快速响应能力。

激光雷达探测卫星通过主动发射脉冲信号进行大气成分探测，能够弥补被动遥感探测波段受光源和大气环境状态干扰的缺点，有效提升探测效率。相较于短波红外被动遥感探测，激光斑点很小，能够在获得高空间分辨率的同时降低气溶胶、薄云的多次散射对探测精度的影响，并能够避免被动探测卫星受光照时间限制的问题，实现日夜不间断探测，有效补充短波红外探测在受限时空范围内的观测数据。然而，星载激光雷达的精密制造和CH4高精度反演算法仍面临着巨大挑战。采用主被动结合的探测方式，能够大幅拓宽全球CH4探测的时空范围，提升探测有效数据量，并为探测结果的误差分析互相提供参照。

CEOS计划的业务化虚拟星座正处于建设阶段，卫星组网探测是目前实现全球高效探测的有效手段（Crisp et al., 2018）。根据以上不同类型卫星的探测特点，如何规划各个卫星的运行方式，最大限度地发挥各颗卫星的探测能力，实现CH4探测的全球时空覆盖是一项复杂问题。在卫星组网观测的前提下，利用地球静止卫星对全球重点地区进行大陆尺度的监测，利用太阳同步轨道卫星的常规探测以及目标模式对排放敏感区域开展重复探测，结合激光雷达的主动探测，形成覆盖广、时效高的星载探测网络，为CH4收支估算和排放监测提供全球高时空分辨率的精准探测数据。

针对全球碳盘点和双碳目标战略，TanSat-2的主要目标之一是满足不同时空尺度下的CH4收支估算，因此需要获取高时空分辨率和精度的数据产品。为了实现这一目标，TanSat-2将以km级分辨率和200 km以上的幅宽进行探测，通过多星联合组网实现每天一次的主要经济体观测覆盖。TanSat-2预计采用中轨椭圆太阳同步冻结轨道建设星座方案，太阳同步特性能够保证同一纬度的星下点观测具有相同的光照条件，轨道冻结特性使得相同纬度的观测保持相同的轨道高度，有利于对同一观测目标进行长期稳定观测。TanSat-2通过远近地点的变化控制卫星运行速率，实现北半球人类活动排放的长时间监测。卫星将搭载宽视场温室气体监测仪、污染气体监测仪、云与气溶胶监测仪进行CH4、CO2、CO、NO2等多种要素的高精度探测，其中CH4探测精度预计可达10 ppb；同时通过设计星上自主云判别能力，识别云覆盖区域并智能规划扫描路径，提升有效观测数据量（刘良云等, 2022）。

4.2 星载CH4高精度反演算法发展趋势

为了追求高精度反演结果，全物理算法需要对大气辐射传输过程进行多次计算，耗费大量计算时间和资源。未来发射的大量CH4探测卫星任务将会积累海量的探测光谱数据，处理海量数据并实现卫星的业务化运行需要提升数据反演效率，如何快速、准确的反演计算是亟待解决的重要问题。欧空局气候变化项目针对区域尺度的通量估算设立了详细的探测精度目标，要求准确的通量估算应保证XCH4的单点探测精度小于9 ppb，月探测精度小于3 ppb，系统绝对误差小于1 ppb（GHG-CCI,2020）。由于反演算法中通常采用较为单一的模型简化计算过程并引入模型误差，造成不同地表和大气环境状态下反演数据产品的精度出现较大的差异。针对不同反演算法获得的XCH4精度的研究也表明冰雪覆盖表面的XCH4结果通常存在较大的偏差，且这种偏差很可能与反演系统有关（Lorente et al.,2021），这对反演系统中的地表反射率模型的更新和优化提出了要求。由于较低的洋面反照率，海洋上空的CH4探测仍存在很大的误差，对海气交换过程和海洋CH4通量估算造成很大的不确定性。目前已有研究表明海洋CH4排放主要来源于近海浅海水域（Weber et al., 2019），获取近海区域的准确CH4浓度分布，对于改善海洋CH4通量估算具有重要作用，因此进一步发展和改善近海CH4卫星遥感反演方法尤为必要。

此外，未来高时空分辨率的全球CH4探测主要通过卫星组网方式实现，不同类型卫星的探测器性能可能存在很大的差异，包括时空和光谱分辨率，信噪比等，不同反演算法的误差和不确定性评估方案也不尽相同，限制了数据产品的交叉验证及其在通量估算等研究中的综合应用（Von Clarmann et al., 2020）。为了满足碳中和目标下星载CH4探测的数据应用需求，有必要建立起规范化的数据质量评价体系，为星载探测数据的综合应用提供科学指导。

4.3 CH4通量反演发展趋势

基于数据同化的CH4通量反演是验证CH4排放清单的重要手段，主要利用地基和卫星探测的大气CH4浓度数据，结合全球和区域的大气化学传输模型进行排放量估算。现有研究表明热带地区湿地CH4通量较之前更强（Lunt et al., 2019），高纬冻土融化也造成了CH4的加速释放（Tenkanen et al., 2021），这两个区域均能提供重要的气候变化反 馈 信 息（Palmer et al., 2021; De Vrese et al.,2021）。受限于当前卫星在局地尺度低探测效率的影响和地基观测站点的稀疏分布，这些重要CH4源区的有效观测数据量严重不足，其通量估计仍存在很大不确定性。综合卫星探测覆盖范围广、地基探测数据精度高的特点，可以为区域CH4通量的准确估算奠定坚实的数据基础。同时，目前粗网格的大气化学传输模型在空间尺度、传输过程和化学机制模拟等方面均存在很大的误差（Saito et al.,2013; Stanevich et al., 2020; Murray et al., 2021），造成CH4通量反演结果与真实观测之间出现较大差异，严重约束了对CH4源汇分布特征的认识。为了满足覆盖局地至国别尺度的通量计算要求，大气化学传输模型应建立起包括全球尺度、中尺度、城市尺度和点源尺度的多模型方案（刘毅等,2021），构建模式误差矫正方案，实现不同尺度CH4通量的精确估算，支撑不同空间尺度的排放清单验证。

石化和油气等行业的减排是实现碳中和的重要途经之一，基于高时空分辨率星载探测的CH4动态监测与量化，还需要CH4烟羽快速识别和排放量估算方法的支撑。目前，由于反演算法计算效率的限制，短波红外探测CH4烟羽仍无法实现快速的排放异常提取，结合多波段探测、神经网络等方法分析探测光谱特征可在一定程度上加速CH4烟羽识别和排放量估计。此外，CH4烟羽排放量估算受到区域风速和风向不确定性的影响较大，如何进一步修正模型，降低模型、风场、卫星观测数据的不确定性也是急需解决的关键问题。

5 展望

面对全球气候变化的紧迫情况，实现碳中和目标最有效的方式就是进行合理的温室气体排放控制。相较于CO2，CH4具有较短的寿命，且其对气候的增温效应在20年的时间尺度上可达到CO2的80倍，因此减少CH4排放是实现碳中和、减缓气候变化短期目标的最理想方案。目前，CH4对全球气候的影响已引起了科学界的共同关注，CH4减排在COP26会议中已成为《巴黎协定》和碳中和目标下世界各国的基本共识。

本文从CH4减排的角度切入，阐述了全球碳盘点及碳中和目标进程中CH4减排计划面临的关键科学问题，并针对这两个科学问题，讨论了开展CH4星载探测的必要性和重要性。星载CH4探测旨在获取时空连续的全球CH4浓度分布情况，对于评估减排效能、核算全球和区域碳收支、预测大气CH4浓度变化对气候系统的影响具有重要的数据支撑作用。基于现有的CH4探测卫星，本文总结了目前星载CH4探测的主要技术特点及不足之处，提出了碳中和目标下星载CH4探测的关键需求，从时空采样、探测方式、探测精度等多个方面说明了卫星组网探测的发展趋势。在提升综合探测能力的基础上，高精度数据产品的获取及应用是加深CH4源汇认识，开展有效CH4减排的重要前提。卫星遥感反演算法的精度改善、计算效率提升是CH4排放动态监测和卫星业务化运行的重要支撑，通量计算方法的模型改进和分辨率细化是实现不同空间尺度排放准确估算和研究的基础，而实现CH4排放动态监测也需要快速烟羽识别方法及排放量估算方案的不断优化。

中国作为温室气体排放大国，借鉴国际上相关卫星的经验，发射了一系列用于温室气体及碳循环研究的卫星，包括碳卫星、高分系列、资源系列等，其中碳卫星在高精度卫星CO2产品和碳通量估算中均取得了显著的成果，为后续的研究计划提供了理论和技术基础。目前，国内针对CH4探测的卫星和相关研究仍较少，星载探测作为支撑科学结论的基础工具，关系着碳中和目标的实现进程以及在国际社会谈判中的话语权，因此，有必要通过建设CH4星载探测能力，实现高时空分辨率、高精度的大气CH4浓度的立体监测，构建集“探测—数据—核算”为一体的卫星应用体系，为中国低碳可持续发展战略提供天基科技支撑。