国际温室气体监测卫星任务及展望

文 | 白青江 时蓬 尤亮 范全林

中国科学院国家空间科学中心

一、引言

全球气候变化已成为制约人类社会可持续发展的重大挑战，地球大气层温室气体浓度升高是导致全球变暖的重要因素。世界气象组织（WMO）2022 年温室气体公报显示，2021 年主要温室气体的全球大气平均浓度达到新高，其中二氧化碳（CO2）为415.7±0.2ppm，甲 烷（CH4）为1908±2ppb，氧化亚氮（N2O）为334.5±0.1ppb。这些数值分别为工业化前（1750 年前）水平的149%、262%和124%。CO2是大气中最重要的人为温室气体，约占长寿命温室气体（LLGHG）辐射强迫的66%；CH4虽属痕量气体，但也有约16%的“贡献”，具有“寿命短”“增温大”的特点，且在100 年时间尺度上其全球增温潜势（GWP）可达到CO2的28 倍、在20 年尺度上CH4的GWP 更是CO2的84 倍，成为引起气候变化的第二大因素。

减少温室气体人为排放是缓解全球增温趋势和改善大气环境质量的最主要途径，其主要着力点之一就是减少CO2和CH4两类最重要温室气体的人为排放，制定科学有效的减排方案并对其减排效果进行评价。与传统的地基网络观测相比，空间对地观测能提供较高时空分辨率的全球范围和区域尺度的CO2和CH4源汇分布和浓度变化等科学数据，支撑全球大气成分的动态监测和全球碳盘点计划。2015年《巴黎协定》提出了利用可测量、可报告、可核查的“三可”（MRV）方法体系建立一个透明框架，监测能源和化石燃料密集型国家的人为排放。通过卫星遥感监测人为碳排放，对国家排放清单进行验证和补充势在必行。

众多航天国家和机构都非常重视主动应对国际气候变化，碳监测卫星已经从致力于解决从无到有、提高干燥空气下的CO2柱浓度（XCO2）探测精度的第一代任务，向主被动结合、组网观测以服务全球碳盘点清单校核的新一代卫星任务快速发展[1-2]。鉴于控制CH4排放对缓解全球增温具有显著效果，致力于快速定位点排放源并定量监测CH4排放量，发展搭载探测和专用卫星正成为温室气体监测卫星新热点[3]。我国被西方认为是碳排放量最大的国家，面临碳中和战略需求、国际气候谈判的挑战以及负责任大国担当的义务。因此，亟需动态掌握国际温室气体监测卫星任务现状和发展态势，有针对性地布局发展支撑我国碳中和、碳达峰目标的搭载载荷和专用卫星监测体系，以维护我国在全球碳核查中的核心利益。

基于此，本文系统梳理了全球当前在轨温室气体监测任务，介绍了美国国家航空航天局（NASA）及国家海洋和大气管理局（NOAA）、欧洲航天局（ESA）、欧洲气象卫星开发组织（EUMETSAT）、日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）、法国国家空间研究中心（CNES）和德国航空航天中心（DLR），以及加拿大温室气体卫星公司（GHGSat）等国家或地区的机构和企业在研和规划确定的温室气体监测任务，可为我国未来多渠道布局相关空间对地观测卫星，以便为准确“摸清家底”、达成“双碳”目标提供有益参考。

二、全球在轨温室气体监测卫星总览

空间温室气体监测最早源于对地观测卫星载荷搭载。ESA 已经退役的环境卫星（Envisat）搭载的扫描成像吸收光谱大气制图仪（SCIAMACHY）是首个实现对流层和平流层的温室气体全球测量的空间探测载荷，奠定了欧洲世界温室气体空间探测起步早的历史地位。欧盟已将温室气体空间遥感列入高优先级空间观测计划，全面布局了相关的科学卫星、业务卫星和搭载载荷。

日本2009 年1 月23 日发射的呼吸号温室气体观测卫星（IBUKI/GOSAT）是世界上首颗对地球大气CO2、CH4和O3开展观测的专用卫星，配置了两个碳观测载荷——热&近红外傅里叶变换光谱仪（TANSO-FTS）、热&近红外云和气溶胶成像仪（TANSO-CAI），前者探测温室气体，后者校正云和气溶胶对前者光谱的散射干扰，提高反演精度。GOSAT 卫星目前仍在轨运行，并与2018 年10 月29 日升空的继任者GOSAT-2 遂行协同观测。

美国拥有世界最强大的空间对地观测能力。NASA 曾于2009 年2 月24 日发射了一颗碳观测卫星（OCO），因火箭故障而致任务失败，但OCO-2卫星于2014 年7 月2 日顺利入轨。目前NASA 会同NOAA 运行着数量众多的温室气体科学观测和业务观测卫星及探测载荷、监测数据库，对全球温室气体监测有着举足轻重的影响。

表1 给出了迄今仍在轨的温室气体观测空间任务，包括5 个专用任务（含1 个立方星星座）及20 余个兼顾温室气体目标的综合性对地观测空间任务，以及国际空间站（ISS）搭载。

这些空间任务在地球大气和环境监测中发挥着重要作用，为全球碳循环、气候变化和温室气体减排提供了关键的科学依据，是第一代温室气体监测卫星的主要代表。例如，科研人员利用OCO-2 卫星和国际空间站搭载的OCO-3 的观测数据，量化了世界排名第五、欧洲最大燃煤电厂波兰贝尔察托夫发电站方圆数百千米内的CO2排放。通过对2017年至2022 年期间该工厂烟尘排放的分析，监测到CO2水平的变化与每小时发电量的波动一致。研究团队还监测到因临时和永久的设备关停减少的工厂总排放量情况。这意味着卫星观测可用于从源头追踪局地范围内的CO2排放和减排情况[4]。

表1 全球在轨温室气体监测空间任务一览表 （截至2023年4月）

续表1

三、国际温室气体监测卫星未来任务

随着航天技术升级，对地观测卫星有效载荷的观测能力不断改进，但任何单独一颗卫星都无法满足CO2和CH4全球精细探测的需求。另一方面，197 个国家签署的《巴黎协定》提出，自2023 年起每5 年进行一次全球碳盘点，评估各国减排成绩，并对行动不力的国家进行问责。此后国际卫星对地观测委员会（CEOS）提出，将在2025 年建成业务化虚拟星座（AC-VC）运行，支撑2028 年第二次全球碳盘点。

显然，对未来新一代碳卫星的重大要求就是，根据科学和应用目标，将多颗卫星组成一个虚拟的卫星星座，通过组网观测，以满足全球温室气体清单校核的需求。在此基础上，还需要通过同化反演系统，监测碳通量，并区分和量化人为碳排放、生态系统碳源汇等。为此，调研了全球在研和规划确定的新一代温室气体监测卫星及相关主要载荷（表2），对不同渠道的代表性国际任务进行了分析，为后续相关工作提供基础输入。

不难发现，欧洲将延续对全球变化的投入，通过扩大哥白尼计划的观测能力、发展第二代气象业务卫星载荷，积极掌握碳盘点主动；形成鲜明对比的是美国因超预算等原因叫停在研任务。需要关注的是，诸多初创企业和非政府组织（基金会）开始主动介入CH4卫星监测，密切关注占CH4总排放60%的人为排放，而这直接关乎相关国家化石燃料开采、乳畜业养殖等产业发展，其中原因值得玩味。

1．欧洲积极研发CO2M 等多个新任务

长期以来欧洲非常关注全球气候变化，并把超前的环境忧患意识转化为集体决策和行动。从表2可以看出，ESA、欧盟（EU）、EUMETSAT 等政府间组织，以及法国、德国等欧洲国家都规划部署了温室气体空间观测任务，加快研发针对人为碳排放的高精度定量监测卫星，以期为欧洲提供独特和独立的碳排放信息源，确保2017 年欧盟针对温室气体人为排放过程提出的可监测、可验证、可支撑（MVS）的建设需求落地，并跟踪其对欧洲脱碳和实现国家减排目标的影响。

应对全球变暖重大挑战，欧洲仍在综合发力，以保持其空间对地观测技术的世界领先地位。继我国大气一号卫星搭载激光雷达开展CO2探测后，德、法正在联合研制的灰背隼号甲烷激光雷达探测卫星（MERLIN），拟于2024 年发射，有望提高人们对全球及区域尺度，尤其是补充对冬季高纬度地区和热带多云地区CH4源汇分布的认识。

地球科学卫星是ESA 空间科学的重点之一。继Envisat 后，仅就温室气体排放监测这个主题，在其地球探索者计划（Earth Explorer，EE）中，凯尔特号大气变化红外层析成像卫星（Cairt）正在开展初步可行性研究；在其未来地球观测计划（FutureEO）中，新增了小型侦察兵任务（Scout），其中正在研发地球系统过程大气监测立方星座（EPS-MACCS-A/B/C）。

EU 的哥白尼哨兵扩展任务部署了6 个新任务，人为CO2排放监测星座任务（CO2M）位居其中。2022 年11 月，EU 与阿里安航天公司签订发射5 颗哥白尼计划卫星，其中就包括计划于2025 ～2026 年分别发射的哨兵7 号CO2M-A 和CO2M-B两颗卫星。未来，CO2M 将精确测量大气温室气体CO2、CH4和污染气体NO2的浓度，通过区分CO2是否来自人为排放，提供有关各个国家、地区和城市排放量的可靠信息，作为欧盟MVS 能力的空间段部分，助力验证《巴黎协定》的目标和执行情况是否得到实现。

2．美国取消在研GeoCarb 任务令人遗憾

表2 在研和规划确定的国际温室气体监测卫星任务汇总

令各界关注的世界首个地球静止轨道碳循环观测台（GeoCarb），属于NASA 在2016 年遴选的地球创投任务（EVM-2），曾拟作为欧洲卫星公司（SES）商业通信卫星的搭载载荷，计划于2025 年1 月发射升空，在西经85°的地球静止轨道上，对西半球北美主要城市和工业区、南美热带雨林和湿地等重点区域的温室气体CO2、CH4和污染气体CO等进行连续监测，将打破极轨卫星重访时间长进而可能遗漏气候变化、碳交换关键信息的局限，通过加大观测频次关联浓度与人为源排放，弥补OCO-2/3 和其他低轨道卫星的数据缺口，具有重要的科学和应用价值。但2022 年11 月，NASA 宣布终止GeoCarb 任务，称其决定是出于“技术问题、成本性能和新的替代数据源的可用性”[5]。虽然NASA表示还将遴选部署新的温室气体监测卫星，但发射窗口不会早于2030 年。

3．商业航天已布局CH4 监测立方星座

来自WMO 全球大气监视网（GAW）计划的长期高质量地面观测发现，自2007 年以来，全球大气的CH4呈上升趋势，且其增长速度正在加快；2020 年和2021 年的年度增幅是自1983 年有系统记录以来最大增幅[6]。与CO2主要由人类活动产生不同，地表CH4的排放源分为自然源和人为源，后者约占60%。但CH4地表测量提供的“自下而上”信息有限，无法区分地表排放量的增加和大气汇的减少，致使解读观测到的CH4增长率变化存在巨大困难。2021 年11 月，世界105 个国家在美国、欧盟主导下签署的《全球甲烷承诺》（我国暂未加入），反映了国际社会对CH4减排重要性和紧迫性的新认知。

除了国家层面的CH4卫星任务（表2），加拿大温室气体卫星公司（GHGSat）、美国轨道伙伴公司（Orbital Sidekick）等众多初创企业，敏感看到了温室气体观测这一生机勃勃的商业航天产业新风口，在CEOS 2014《空间碳观测战略》发布后，就着手利用立方星[7]等微/小卫星平台，对发电厂、天然气田和输送管道等点排放源开展了高空间分辨率的CH4遥感监测。

以GHGSat 为例，该公司规划了由12 颗16U立方星构成的星座，并于2016 年发射了首颗演示验证星“克莱尔”（GHGSat-D Claire），其搭载的小型广角法布里-珀罗（Fabry-Pérot）成像光谱仪于2018 年2 月—2019 年1 月期间多次监测到土库曼斯坦西部巴尔干省科尔佩哲油气田大量CH4泄漏[8]。

此外非赢利性环保组织美国环保协会（EDF）、碳 地 图（Carbon Mapper） 等 也 在 研 发CH4监测小型卫星。美国的蓝田技术公司（Bluefield Technologies）也宣布将发射由20 颗对流层低层CH4观测卫星（COOL）构成的微小卫星星座。

毫无疑问，煤炭、石油和天然气等化石能源行业必须率先行动起来，以降低CH4泄露和排放，这也意味着更高的经济效益和就业机会。而无论是出于发现由于作业疏忽或技术问题形成的温室气体排放源，还是协助查找行业巨头本可控制的大型CH4逃逸排放，这些初创公司的未来都给人留下巨大的想象空间。

四、结语

全球面临着日益严重的能源危机、创纪录的温室气体浓度以及愈发频繁的极端天气事件，已对人类可持续发展构成巨大威胁。国际社会已认识到温室气体空间监测手段对于促进碳减排不可或缺，并向主被动、高低轨、星座组网协同探测趋势发展。基于实现可持续发展的内在要求和构建人类命运共同体的责任担当，我国已在2020 年宣布了碳达峰和碳中和的目标愿景。我国温室气体卫星遥感技术与欧美相比虽有个别技术优势，但就高性能轻小型温室气体光谱仪等关键有效载荷而言，总体上提升空间仍较大[9-10]。及时把握国际温室气体监测卫星任务最新态势，做到知己知彼，对于制定我国碳盘点卫星遥感体系发展战略，支持国家参与气候变化国际谈判和科技外交将是有益的参考。