短波红外CH4星载探测技术：为中国低碳可持续发展战略提供科技支撑

2023年3月联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布的第六次综合评估报告指出，2011—2020年全球地表温度较工业化前（1850—1900年）高出1.1℃。化石燃料燃烧和土地利用等人类活动排放的温室气体，已毋庸置疑引起了全球变暖。近年来，高温、干旱、暴雨等极端天气气候事件频繁发生且强度增大，对未来人类社会的可持续发展带来严峻挑战。科学准确地监测温室气体浓度、来源以及变化趋势是温室气体排放统计核算的基础。与传统地面站点监测方法相比，卫星遥感具有分辨率高、覆盖范围广、重访周期短、连续动态等独特优势，为开展全球、全国和区域尺度温室气体监测提供了高精度、基础性数据支撑。

△1970—2021年全球人为源甲烷排放总量及主要国家甲烷排放量占比情况

短波红外CH4星载探测技术迅速发展

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。

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。

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提出温室气体卫星探测的具体任务目标应满足5～10km的空间分辨率，4h的时间分辨率和10ppb的CH4探测精度。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0.1nm时，全物理反演算法获取的XCH4数据产品精度可控制在10ppb以内。

卫星组网探测是目前实现全球高效探测的有效手段。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。

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。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，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，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。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。

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，高纬冻土融化也造成了CH4的加速释放，这两个区域均能提供重要的气候变化反 馈 信 息。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，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，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。

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。

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》

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