星载甲烷监测现状及趋势

大气CH4 探测主要有3 种方式，即地基、机载和卫星探测。地基探测起步最早，现在已经形成以总碳柱观测网络（TCCON）和大气成分变化探测网络（NDACC）为代表的观测体系。机载方面，也发展了一系列探测器，如机载激光红外吸收光谱仪（ALIAS）和第二代ALIAS（ ALIAS-Ⅱ）、机载可见光/红外成像光谱仪（AVIRIS-Classic）和下一代AVIRIS（AVIRIS-NG）等。虽然地基和机载观测精度高，但是空间覆盖范围有限，只能应用于局地观测。卫星观测不受诸多自然条件的限制，能够在全球范围内进行持续稳定的高精度观测，并通过“自上而下”的方法对“ 自下而上”的排放清单提供验证与支撑。

甲烷监测卫星传感器

利用卫星遥感技术对大气CH4进行探测的方法可分为被动遥感和主动遥感。被动遥感主要依赖于1. 65微米和2. 3微米的短波红外（SWIR）和8微米左右的热红外（TIR）波段。由此，CH4 探测被动传感器也相应地分成热红外传感器和短波红外传感器。短波红外传感器通过测量大气的后向散射获取信息，热红外传感器则通过大气热辐射进行测量。主动遥感方面，以CH4遥感激光雷达任务（MERLIN）为代表的传感器自主发射辐射，与大气相互作用后被接收，从而进行探测。在短波红外区域，CH4 分子存在许多泛频带和组合频带，尤其是在1. 66 μm 和2. 3 μm 附近。使用这两个波段，可以对CH4吸收特征进行有效表征，从而获得CH4 浓度信息。而且，短波红外对近地CH4 浓度变化更为敏感，能弥补热红外的不足。因此，后期发展的星载传感器大多使用短波红外卫星进行CH4探测。

△  国内外典型的甲烷监测卫星

区域尺度探测卫星

1、SCIMACHY

 搭载在ESA 的大型环境监测卫星ENVISAT 上的扫描成像吸收光谱大气制图仪（SCIAMACHY），是全球首个采用短波红外吸收带作为探测波段的星载探测器，于2002 年3 月发射升空。SCIAMACHY 具有天底、掩星、临边等观测模式，能够有效测量地球大气的化学成分。它是一个覆盖了紫外到短波红外的辐射探测器，一共有8个通道，波长范围为0. 24~2. 38微米。通道6中的1. 63~1. 67微米波段和通道8 中的2. 26~2. 38微米波段均可以进行CH4 探测，光谱分辨率分别为1. 48 nm 和0. 26 nm。

2、日本 GOSAT卫星

第一代GOSAT 卫星于2009 年1月发射到太阳同步轨道，搭载了热红外和近红外碳观测仪（TANSO），旨在对温室气体实现全球监测。TANSO由傅里叶变换光谱仪（FTS）和云与气溶胶成像仪（CAI）构成。前者用于温室气体探测，后者用于同步收集云和气溶胶信息，进行协同反演。TANSO-FTS共包含4 个波段，分别为0. 758~0. 775、1. 56~1. 72、1. 92~2. 08和5. 56~14. 3，一般在1. 6微米附近对CH4 进行探测与反演，光谱分辨率为0. 2 cm-1。GOSAT-2 卫星于2018 年10 月发射，直接对GOSAT 卫星进行了继承，也搭载了第二代傅里叶变换光谱仪（TANSO-FTS-2）。它新增了SIF 和CO探测通道，提高了信噪比，使得温室气体探测的精度更高。该传感器的光谱分辨率小于0. 2 cm-1，覆盖了0. 75~0. 77 μm、1. 56~1. 69 μm、1. 92~2. 38 μm 和5. 6~14. 30 μm 的范围，CH4 的探测窗口在1. 67 μm 附近，陆地500 km 格网和海洋2000 km 格网上空的目标精度为5×10-9。GOSAT 和GOSAT-2 性能稳定且精度较高，为全球温室气体监测作出了突出贡献。

3、欧空局 Sentinel-5P卫星

Sentinel-5P 是ESA 于2017 年10 月13 日发射的一颗全球大气污染气体监测卫星，其上搭载了一台技术先进、空间分辨率高的大气监测光谱仪，即对流层监测仪（TROPOMI）。该仪器的成像幅宽达2600 km，分辨率为7 km×5. 5 km，可以做到每日全球覆盖，极大地提高了卫星的时空覆盖能力。TROPOMI 是一种推扫式光谱仪，在三大光谱测量区域开展探测，这三大区域分别是270~495 nm 的紫外-可见光光谱区域（UVVIS）、675~775 nm 的近红外光谱区域（NIR）和2305~2385 nm 的短波红外光谱区域（SWIR）。TROPOMI 使用2. 3微米附近的光谱信息进行CH4 反演，光谱分辨率为0. 25 nm，反演精度可达0. 8%。

4、高分五号卫星GMI载荷

△高分五号载荷示意图

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 2018 年5 月发射升空的GF-5 卫星是我国高分重大科技专项中搭载载荷最多、光谱分辨率最高的卫星，也是世界首颗实现对大气和陆地进行综合观测的全谱段高光谱卫星。其上搭载的温室气体监测仪（GMI）采用空间外差光谱技术分光，具有波段任意选择和超光谱分辨特性，是国际上首台基于该体制的星载温室气体遥感设备。该仪器针对O2、CO2、CH4 等设置了4 个波段，覆盖了0. 759~0. 769nm、1. 568~2. 058微米的光谱范围，其中CH4 的探测通道为1. 642~1. 658微米，光谱分辨率为0. 27 cm-1，力求获取全球CH4柱浓度数据产品。

5、FY-3D卫星

△  FY3D GAS温室气体监测仪

2019 年1 月，我国又发射了新一代极轨气象卫星FY-3D，其上搭载了一台近红外高光谱温室气体监测仪（GAS）。GAS 是国内首台星载干涉型温室气体传感器，其探测方式为光栅分光，设置了2 个近红外波段和2 个短波红外波段，分别为0. 75~0. 77微米、1. 56~1. 72微米、1. 92~2. 08微米和2. 20~2. 38微米。其中波段2和4均可用于CH4的探测，中心波长分别为1. 6微米和2. 3微米，光谱分辨率为0. 27 cm-1。

点源探测卫星

除上述全球或大范围观测卫星之外，点源探测也成为现阶段的研究热点。  近年来，基于高光谱成像的点源探测卫星和传感器呈现井喷式发展。

1、GHGsat卫星

△  GHGSAT WAF-P监测仪

GHGSat 系列卫星星座是加拿大GHGSat 公司为开展高空间分辨率全球温室气体探测工作而搭建的卫星，主要针对点源的检测与量化。GHGSat 星座目前由6颗卫星组成，分别是2016 年6 月发射的GHGSat-D（Claire）、2020 年9 月发射的GHGSat-C1（Iris）、2021年1 月发射的GHGSat-C2（Hugo）以及于2022 年发射的GHGSat-C3（Luca）、C4（Penny）和C5（Diako）。每颗卫星都配备了广角法布里-珀罗 （WAF-P） 成像光谱仪，能覆盖1630~1675 nm 的短波红外波段，并据此进行CH4 探测。GHGSat 系列卫星的空间分辨率高达25 m、XCH4 反演精度能达到18×10-9，对于点源排放的高精度估算具有重大意义。

2、高分五号卫星AHSI载荷

△  高分五号载荷示意图

我国GF-5 卫星上搭载的可见光短波红外高光谱相机（AHSI）也是点源探测的典型代表。它是第一个利用凸光栅分光光度法和改进的三同心镜（Offner）配置的星载高光谱传感器，共有330 个波段，覆盖了0. 4~2. 5 μm 的光谱范围，VNIR 和SWIR 的光谱分辨率分别为5 nm 和10 nm。AHSI 的幅宽为60 km，空间分辨率高达30 m。利用2. 11~2. 45 μm 的光谱通道，可以对点源CH4浓度进行探测，精度可达63×10-9。

3、PRISMA卫星

PRISMA是意大利航天局（ASI）于2008年开发的中分辨率高光谱成像任务，是已终止的地球观测高光谱卫星（HypSEO）任务的后续任务。2019 年3 月22 日，与该任务同名的PRISMA 卫星发射升空，携带了一个高光谱相机（HYC）。该仪器覆盖了400~2505 nm 的光谱范围，光谱分辨率优于10 nm，空间分辨率高达30 m，能提供可见光、近红外和短波红外波段的高光谱观测。与高分五号上的AHSI 类似，HYC 利用2110~2450 nm 的窗口，可对CH4 浓度进行探测，精度为149×10-9。

4、ENMAP卫星

环境测绘和分析计划（EnMAP）是一项德国开发的卫星任务，旨在获取地球大气层和地表的高光谱图像数据。该任务于2022 年4 月1 日发射了同名卫星，

并搭载了一台高光谱成像仪（HSI）。该仪器是一台推扫式成像仪，能对430~2450 nm 的光谱范围进行观测。EnMAP 在VNIR 和SWIR 通道中设置了228 个光谱波段，光谱分辨率分别为6. 5 nm 和10 nm。空间分辨率为30 m，最大幅宽为30 km。其中，2200~2400 nm 可作为CH4 的探测窗口，探测精度高达3%~7%。

5、EMIT载荷

△  EMIT载荷搭载在国际空间站

基于NASA 开展的地表矿物粉尘源调查（EMIT）任务，同名载荷EMIT 于2022 年7 月14 日由SpaceX第25 次商业补给服务任务（CRS-25）发射，并被安装在国际空间站上。EMIT 是一台高光谱成像光谱仪，覆盖了380~2500 nm 的光谱范围，光谱采样间隔为7. 4 nm，空间分辨率为60 m。由于具备2200~2400 nm 这一CH4 特征通道，EMIT 也可用于全球CH4点源探测。

6、MethaneSAT卫星

MethaneSAT 任务由美国与新西兰共同开发，部署了一颗对地观测卫星MethaneSAT，预计于2023 年发射，其主要目标是对占全球石油和天然气产量 80%

以上的地区的CH4 排放进行系统监测。MethaneSAT卫星具有约200 km 的幅宽和100 m×400 m 的高空间分辨率，能够获得CH4 排放的定量观测结果。MethaneSAT 搭载了一个高性能光谱仪CH4 传感系统，覆盖了1605~1683 nm 的光谱范围，具有0. 1 nm 的光谱采样和0. 3 nm 的光谱分辨率，CH4 探测阈值为  2×10-9。

甲烷卫星传感器监测趋势

未来，CH4 探测卫星传感器将继续朝着高时空分辨率、高精度、高准确性和连续观测一体化的目标迈进。同时，由于单颗卫星仍难以满足CH4 全球高精度探测的需求，因此有必要加快开展卫星组网建设工作。采用多星组网进行观测，能够实现更高的重访率、灵敏度、精确度，提供快速的全球覆盖服务，进一步提升大气CH4 卫星遥感探测能力。

针对重要点源目标碳排放卫星监测的需求，采用高斯羽流模型等先进方法，融合高时空分辨率的风场数据以及精细分辨率的CH4温室气体卫星产品，建立点源排放综合监测与模拟系统，形成温室气体扩散动态模拟能力，实现利用卫星观测大气温室气体数据量化点源排放量的高精度估算目标，并形成业务化运行能力。