全球甲烷监测卫星发展情况及应用案例

甲烷监测技术一般按照光学、化学和声学原理进行设计，主要包括高光谱红外成像光谱仪、热成像仪、光离子检测器和超声波探测仪等，这些设备可直接安装在生产运输设施上进行在线监测，或搭载至车辆、低空飞机或无人机等移动载具上在某个区域进行采样分析。然而，传统的监测技术易受人力、成本、时间和空间等因素限制，无法在较大区域内获取连续可追溯的甲烷排放数据，同时缺乏探测大规模甲烷泄漏点的能力。随着卫星遥感监测技术特别是高光谱成像技术的进步，发达国家正在加快该技术在甲烷监测方面的研发与应用，拟构建全球甲烷监测体系。

△已结束及在轨运行的星载CH4探测卫星性能总结

全球甲烷监测卫星发展

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。《巴黎协定》签署后，甲烷卫星监测领域迎来高速发展期，欧洲航天局、日本宇宙航空研究开发机构和意大利航天局等官方航天机构分别发射了哨兵-5P（Sentinel-5P）、GOSAT-2和VEGA卫星，依次搭载各自研发的TROPOMI、FTS-2和PRISMA光谱仪，对全球范围甲烷排放进行监测。从性能指标上分析，这3个机构的甲烷排放监测阈值已经取得明显进步，同时意大利PRISMA光谱仪在空间分辨率上也得到了大幅提升，地面监测精度已经达到30米级别。

△全球主要甲烷监测卫星性能对比图

我国甲烷监测卫星进展

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。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。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，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。

△GHGSat卫星遥感监测油气设施甲烷排放情况

商业甲烷监测卫星持续发力

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。2016—2021 年，加拿大温室气体卫星公司GHGSat依次发射GHGSat-D、GHGSat-C1和GHGSat-C2卫星并完成组网，将甲烷排放监测阈值和空间分辨率分别提升至100千克/时和25米的水平，实现了对地面单一油气生产设施、天然气管线等甲烷排放源的精准监测。

甲烷监测卫星应用案例

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，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。

△CH4柱浓度（XCH4）全球分布结果

甲烷监测卫星应用案例

人为CH4排放也是导致全球显著增温的主要因素，进行准确的区域CH4探测对于监测和控制人为排放过程具有重要的指导意义。中国科学院合肥物质科学研究院通过高分五号卫星GMI 获取1.65μm 通道的CH4吸收光谱信息，得到了与国际同类仪器接近的CH4柱浓度（XCH4）全球分布结果。

生态环境部卫星环境应用中心利用高光谱综合观测卫星于2022 年秋季（7 月1 日—9 月30 日）开展了全球大气CH4监测工作，监测结果清晰反映出较明显的纬度分布特征，与TCCON 站点测量数据对比，CH4反演精度优于20ppm。2022 年9 月北溪天然气管道泄漏事件引发国际社会广泛关注，为了跟踪该事件的发展态势，生态环境部卫星环境应用中心于9 月30日调用该卫星对北溪天然气管道沿线进行了应急监测，并联合武汉大学、南京大学等开展了CH4排放异常遥感识别及量化工作，发现在丹麦博恩霍尔姆岛东侧北溪2号管线上有一处较为明显的CH4排放异常，估算排放量约70 t/h。

△基于高光谱综合观测卫星的北溪天然气管道沿线CH4 排放异常监测

经过多年的建设和发展，我国温室气体观测呈现出天-空-地一体化多源数据支持的前景，不仅为我国大气污染防治和空气质量预报提供数据和技术支撑，也为构建全球性温室气体多星观测平台作出了贡献。“十四五”期间，我国将继续加大新型卫星研发和应用系统建设力度，进一步提升全球主要温室气体和大气污染物遥感监测能力，为支撑国家“双碳”战略目标的实现、应对全球气候变化提供遥感监测数据支撑。

部分参考资料内容来源：

《我国温室气体观测卫星建设及典型数据应用》

《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》