星载CH4探测数据的获取及高精度CH4卫星遥感反演算法

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。

星载CH4探测数据的获取

准确的星载CH4探测数据的获取需要高精度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反演方法。

Proxy算法

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。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%。

WFM-DOAS算法

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；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%）。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

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，NASA开发的OCO-2标准算法ACOS，英国莱斯特大学开发的UoL-FP，TROPOMI的标准算法RemoTeC以及中国碳卫星标准算法IAPCAS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，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，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，并具有从GOSAT光谱获取XCH4和XCO2数据的能力，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。

通量估算方法

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。“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。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。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。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，深入认识CH4源汇分 布 变 化 及 其 对 气 候 影 响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。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，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；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。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。

参考资料内容来源：

《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》