Технология обнаружения CH4 в космическом пространстве в коротковолновом инфракрасном диапазоне: научно-техническая поддержка стратегии низкоуглеродного и устойчивого развития Китая.

Шестой комплексный оценочный доклад, опубликованный Межправительственной группой экспертов по изменению климата (МГЭИК) в марте 2023 года, показал, что глобальная температура поверхности Земли в период с 2011 по 2020 год была на 1,1°C выше доиндустриального уровня (1850–1900 гг.). Выбросы парниковых газов в результате деятельности человека, такой как сжигание ископаемого топлива и землепользование, несомненно, способствовали глобальному потеплению. В последние годы экстремальные погодные и климатические явления, такие как высокие температуры, засухи и проливные дожди, стали более частыми и интенсивными, создавая серьезные проблемы для устойчивого развития будущего человеческого общества. Точный мониторинг концентрации, источников и тенденций парниковых газов имеет основополагающее значение для статистики и учета выбросов парниковых газов. По сравнению с традиционными наземными методами мониторинга, спутниковое дистанционное зондирование предлагает уникальные преимущества, такие как высокое разрешение, широкий охват, короткие периоды повторного облета и непрерывные динамические данные, обеспечивая высокоточную, фундаментальную базу данных для глобального, национального и регионального мониторинга парниковых газов.

△Глобальные антропогенные выбросы метана и доля выбросов метана в основных странах, 1970–2021 гг.

Технология обнаружения CH4 в космическом пространстве в коротковолновом инфракрасном диапазоне быстро развивается.

Для получения информации о пространственно-временном распределении и вариациях концентрации метана вблизи поверхности в последние годы стремительно развивается технология обнаружения метана в коротковолновом инфракрасном диапазоне с помощью космических аппаратов. Как внутри страны, так и за рубежом было запущено множество спутников для обнаружения метана в коротковолновом инфракрасном диапазоне, которые провели ряд исследований по обнаружению метана и смежным областям применения, обеспечив обнаружение метана в космосе. Запущенные в этот период научные экспериментальные спутники способствовали развитию алгоритмов инверсии данных дистанционного зондирования метана и алгоритмов инверсии потока, заложив технологическую основу для улучшения возможностей космического обнаружения, получения данных и их непосредственного применения. Кроме того, они продемонстрировали потенциал применения коротковолнового инфракрасного обнаружения в оценке глобального баланса источников и поглотителей метана с точки зрения точности данных обнаружения и оценки потока.

Большинство существующих спутников для обнаружения метана (CH4) ориентированы на научные эксперименты по обнаружению CH4 в коротковолновом инфракрасном диапазоне, совершив с нуля прорыв в этой области. На основе данных, полученных с помощью этих спутников, быстро развивались технологии обнаружения CH4 в коротковолновом инфракрасном диапазоне, алгоритмы инверсии и алгоритмы ассимиляции потока. В результате зрелость и применение этих алгоритмов предъявляют более высокие требования к пространственно-временному охвату и точности данных при обнаружении CH4 в космосе. Для удовлетворения потребностей научных исследований в данных в настоящее время планируется создание нескольких спутников для обнаружения CH4, которые в будущем будут добавлены в состав флота космических аппаратов для обнаружения метана.

Тенденции развития космических систем обнаружения метана

Для удовлетворения стратегических потребностей глобального углеродного кадастра и достижения углеродной нейтральности, а также для решения двух ключевых научных вопросов – динамического мониторинга выбросов CH4 и оценки потоков в различных масштабах – спутники для обнаружения CH4 должны предоставлять информацию об изменениях концентрации CH4 на локальном и региональном уровнях, различая источники и поглотители. Глобальная система наблюдения за климатом предлагает, чтобы конкретные задачи спутникового обнаружения парниковых газов соответствовали пространственному разрешению 5–10 км, временному разрешению 4 часа и точности обнаружения CH4 10 ppb. Учитывая текущие технические возможности спутниковых миссий по обнаружению CH4, один спутник, использующий один метод обнаружения, не может выполнить глобальную миссию по обнаружению, и спутники, использующие разные методы обнаружения, имеют разные цели. Для удовлетворения потребностей в обнаружении и исследованиях в различных масштабах необходимо создать систему созвездий для скоординированного обнаружения с использованием комбинации активных и пассивных методов обнаружения, а также подходов к высоко- и низкоорбитальным орбитам. Комплексное применение результатов обнаружения с нескольких спутников может обеспечить научную поддержку для оценки эффективности мер по сокращению выбросов, связанных с углеродной нейтральностью, и для глобальных планов инвентаризации углерода. Высокоточные результаты обнаружения в основном зависят от спектральных данных с высоким разрешением и высоким отношением сигнал/шум. Существующие исследования показывают, что при отношении сигнал/шум в коротковолновом инфракрасном диапазоне лучше 300 и спектральном разрешении лучше 0,1 нм точность данных XCH4, полученных с помощью алгоритма полностью физической инверсии, может быть обеспечена в пределах 10 ppb.

В настоящее время наблюдение с помощью спутниковой сети является эффективным средством обеспечения эффективного глобального обнаружения. Учитывая различные характеристики обнаружения разных типов спутников, планирование работы каждого спутника для максимизации его возможностей обнаружения и достижения глобального пространственно-временного охвата для обнаружения метана является сложной задачей. В рамках наблюдения с помощью спутниковой сети геостационарные спутники используются для мониторинга ключевых глобальных регионов в континентальном масштабе, в то время как спутники на солнечно-синхронной орбите используют рутинное и целевое обнаружение для проведения повторных измерений в чувствительных к выбросам районах. В сочетании с активным обнаружением с помощью лидара формируется широкомасштабная и высокоточная космическая сеть обнаружения, обеспечивающая точные глобальные данные пространственно-временного разрешения для оценки баланса метана и мониторинга выбросов.

Тенденции развития высокоточных алгоритмов инверсии CH4, используемых в космических аппаратах.

Для достижения высокоточных результатов инверсии алгоритмы, учитывающие все физические процессы, требуют многократных вычислений процесса переноса излучения в атмосфере, что потребляет значительное вычислительное время и ресурсы. Будущие спутниковые миссии по обнаружению CH4 будут накапливать огромные объемы спектральных данных. Обработка этих огромных объемов данных и обеспечение оперативной работы спутников требуют повышения эффективности инверсии данных; поэтому быстрые и точные вычисления инверсии являются критически важными вопросами, которые необходимо срочно решить. Поскольку алгоритмы инверсии обычно используют относительно простые модели для упрощения процесса вычислений и внесения ошибок модели, точность данных инверсии значительно варьируется в зависимости от различных поверхностных и атмосферных условий. Исследования точности XCH4, полученной с помощью различных алгоритмов инверсии, также показывают, что результаты XCH4 для поверхностей, покрытых льдом, часто демонстрируют значительное смещение, которое, вероятно, связано с самой системой инверсии. Это требует обновления и оптимизации модели поверхностного отражения в системе инверсии. Из-за низкого альбедо поверхности океана обнаружение CH4 над океаном по-прежнему страдает от существенных ошибок, что вызывает значительную неопределенность в оценке процессов обмена между атмосферой и океаном и потока CH4 в океане. Современные исследования показывают, что выбросы метана в море в основном происходят из прибрежных мелководных районов. Получение точного распределения концентрации метана в прибрежных районах имеет решающее значение для улучшения оценки потока метана в море. Поэтому дальнейшее развитие и совершенствование методов инверсии спутниковых данных дистанционного зондирования метана в прибрежной зоне особенно необходимы.

Кроме того, в будущем высокоточное глобальное обнаружение метана с высоким пространственно-временным разрешением будет в основном достигаться за счет спутниковой сети. Характеристики детекторов различных типов спутников могут значительно различаться, включая пространственно-временное и спектральное разрешение, отношение сигнал-шум и т. д. Различные алгоритмы инверсии также используют различные схемы оценки ошибок и неопределенности, что ограничивает перекрестную проверку данных и их комплексное применение в таких исследованиях, как оценка потока. Для удовлетворения потребностей в применении данных космического обнаружения метана в рамках цели углеродной нейтральности необходимо создать стандартизированную систему оценки качества данных, которая обеспечит научное руководство для комплексного применения данных космического обнаружения.

тренд развития инверсии потока CH4

Инверсия потоков CH4 на основе ассимиляции данных является важнейшим методом проверки кадастров выбросов CH4. В основном она использует данные о концентрации CH4 в атмосфере, полученные с помощью наземных и спутниковых наблюдений, в сочетании с глобальными и региональными моделями переноса химических веществ в атмосфере для оценки выбросов. Существующие исследования показывают, что потоки CH4 в тропических водно-болотных угодьях стали сильнее, чем раньше, а таяние вечной мерзлоты в высоких широтах также ускорило выбросы CH4; оба региона предоставляют важную информацию об обратной связи в отношении изменения климата. Однако из-за низкой эффективности обнаружения современных спутников в локальном масштабе и разреженного распределения наземных станций наблюдения объем эффективных данных наблюдений для этих важных регионов-источников CH4 крайне недостаточен, что приводит к значительной неопределенности в оценке потоков. Сочетание преимуществ широкого спутникового охвата и высокой точности наземных данных может обеспечить прочную основу данных для точной оценки региональных потоков CH4. Кроме того, существующие модели переноса химических веществ в атмосфере с крупнозернистой сеткой демонстрируют значительные ошибки в пространственном масштабе, процессах переноса и моделировании химических механизмов, что приводит к существенным расхождениям между результатами инверсии потоков CH4 и фактическими наблюдениями, серьезно ограничивая наше понимание характеристик распределения источников и поглотителей CH4. Для удовлетворения требований к расчетам потоков, охватывающим локальный и национальный масштабы, модели переноса химических веществ в атмосфере должны создавать многомодельные схемы, включающие глобальный, мезомасштабный, городской и точечный масштабы, разрабатывать схемы коррекции ошибок модели, обеспечивать точную оценку потоков CH4 в разных масштабах и поддерживать проверку инвентаризации выбросов в разных пространственных масштабах.

Сокращение выбросов в таких отраслях, как нефтехимия и нефтегазовая промышленность, является важнейшим путем к достижению углеродной нейтральности. Динамический мониторинг и количественная оценка CH4 на основе высокоразрешающего пространственно-временного космического обнаружения требуют поддержки со стороны методов быстрой идентификации шлейфов CH4 и оценки выбросов. В настоящее время из-за ограничений в вычислительной эффективности алгоритмов инверсии коротковолновое инфракрасное обнаружение шлейфов CH4 не позволяет быстро выявлять аномалии выбросов. Комбинирование многодиапазонного обнаружения и методов нейронных сетей для анализа спектральных характеристик обнаружения может в некоторой степени ускорить идентификацию шлейфов CH4 и оценку выбросов. Кроме того, на оценку выбросов шлейфов CH4 существенно влияют неопределенности в региональной скорости и направлении ветра. Дальнейшее усовершенствование модели и снижение неопределенностей в модели, поле ветра и данных спутниковых наблюдений также является критически важной проблемой, требующей срочного решения.

В настоящее время в Китае сравнительно мало спутников и связанных с ними исследований по обнаружению метана. Как фундаментальный инструмент, подтверждающий научные выводы, космическое обнаружение связано с прогрессом в достижении целей углеродной нейтральности и ролью Китая в международных переговорах. Поэтому необходимо создать возможности для космического обнаружения метана с высоким пространственно-временным разрешением и высокой точностью в трехмерном мониторинге концентрации метана в атмосфере, а также разработать спутниковую систему, интегрирующую «обнаружение-данные-учет», для обеспечения технологической поддержки стратегии низкоуглеродного и устойчивого развития Китая с помощью космических технологий.

Источник контента:

Анализ текущего состояния и тенденций развития спутников наблюдения за атмосферным метаном с целью достижения углеродной нейтральности и пика выбросов углерода в моей стране.

Яо Лу, Ян Дунсюй, Цай Чжаонань, Чжу Сихун, Лю И, Дэн Цзяньбо, Тянь Лунфэй, Инь Цзэншань, Лу Наймэн