SAME亮点 | 甲烷遥感：为大气甲烷全球探测“添一双慧眼”

 导读 

全球气候治理和温室气体减排已经刻不容缓，其中大气甲烷的监测逐渐成为碳减排的重点与热点。利用卫星遥感探测速度快、覆盖范围广、获取信息丰富等优势，可以实现高精度、高时空分辨率且全球覆盖的大气甲烷浓度监测。我国在2020年9月明确提出了“双碳”目标，大气甲烷卫星遥感和反演研究正是其中的重要环节。

中国科学院空天信息创新研究院李正强研究员课题组长期致力于大气环境遥感的研究，受邀为《光学学报》“空间、大气、海洋与环境光学”（SAME）专题刊撰写综述论文“大气甲烷卫星传感器和遥感算法研究综述”（《光学学报》2023年43卷18期），被选为亮点文章。

背景介绍

甲烷(CH₄)是一种重要且强效的温室气体，自工业革命以来，大气CH₄含量一直持续上升，全球平均浓度已从1.714×10^-6（1900年）上升到1.912×10^-6（2022年），成为除二氧化碳（CO₂）外最主要的全球增温因子。此外，CH₄全球变暖潜能值比CO₂高27~30倍，控制甲烷的排放成为控制全球平均气温上升（小于2 ℃并尽可能小于1.5 ℃）的关键，因此对大气CH₄的监测成为碳减排的重点与热点。

利用卫星遥感探测速度快、覆盖范围广、获取信息丰富等优势，可以实现高精度、高时空分辨率且全球覆盖的大气CH₄浓度监测。卫星遥感也因此逐渐成为大气CH₄探测的主流方式。美国、欧盟成员国、日本、加拿大和中国相继发射了多颗具有CH₄探测能力的卫星，并且探测技术越来越成熟、探测精度越来越高；与此同时，各种类型卫星传感器相应算法的发展也如火如荼。

考虑到CH₄卫星遥感的快速发展，有必要对各类CH₄探测卫星与传感器进行梳理，对典型的反演算法进行分析，据此本文对CH₄卫星遥感和反演研究的发展提出几点思考，期望为CH₄卫星遥感的后续发展提供参考。

大气甲烷卫星传感器研究进展

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 μm和2.3 μm的短波红外(SWIR)和8 μm左右的热红外(TIR)波段。由此，CH₄探测被动传感器也相应地分为热红外传感器和短波红外传感器。热红外传感器通过大气热辐射进行测量，短波红外传感器则通过测量大气的后向散射获取信息，后者对近地CH₄浓度变化更为敏感，也因此成为大气甲烷卫星传感器发展的主流。国内外典型的短波红外卫星和具有甲烷探测功能的传感器如表1所示。

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。激光雷达探测卫星主动发射光源，不受日照时间限制，能削弱云和气溶胶的干扰，可以有效弥补被动遥感探测的缺陷，进行全天候高精度探测，提升探测效率。已有和近期拟发射的CH4卫星传感器的光谱和空间分辨率概览如图1所示。

图1 已有和近期拟发射的CH₄卫星传感器的光谱和空间分辨率概览

大气甲烷卫星遥感算法研究进展

随着CH₄探测卫星传感器快速发展，相应的匹配算法也在不断发展与优化。大气CH₄反演的本质是利用卫星观测的相应波段的吸收光谱，去除其他因素的干扰，得到CH₄廓线或柱总量的有效信息。CH₄反演方法主要包括经验算法、物理算法和神经网络算法。受限于回归模型的稳定性等问题，经验算法通常反演精度不高，在具体应用上受到一定限制。物理算法已成为现阶段主流的CH₄反演方法，通过对大气辐射传输过程的仿真和拟合来精确求解CH₄浓度，具有较高的精度，形成了差分吸收光谱(DOAS)、Proxy、光子路径长度概率密度函数(PPDF)、全物理(FP)等算法，其中以NIES-FP、UoL-FP、RemoTeC、RemoTAP、IAPCAS、FOCAL等为代表的全物理算法获得了较为广泛的应用。神经网络算法伴随着计算机技术与人工智能的发展而出现，目前也取得了不错的效果，但仍有进一步发展的空间。

大气甲烷卫星遥感发展趋势

近二十年来，全球对大气CH₄卫星遥感探测的热度不断升温，也发射了一系列CH₄探测卫星，探测手段越来越丰富，传感器的性能也在不断优化。从低轨到高轨、从被动到主动、从单一到协同，空间分辨率与时间分辨率越来越高，探测通道也越来越丰富。这些均为大气CH₄卫星遥感的全球化、精细化探测奠定了基础。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，因此有必要加紧开展卫星组网建设。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。图2展示了未来几年国际上规划的典型CH₄探测任务或卫星。

此外，为了满足全球碳盘点的需求，对CH₄观测数据和反演产品的精度、覆盖率和计算速度等提出了新的要求。就算是目前最为精确的全物理算法，依然有很大的完善空间，如采用更为准确的正演辐射传输模型和先验信息、对气溶胶进行协同反演与修正、采用更为可靠的云识别方法等。同时，面对多星组网的发展趋势，实现多星联合反演与验证也极为重要。

图2 未来几年国际上规划的部分典型CH₄探测任务和卫星

近年来，我国在大气CH₄卫星遥感方面的发展与应用也十分迅猛，成功发射了以GF-5、FY-3D等为代表的多颗观测卫星，并开发了相关应用，为CH₄监测和减排提供了强有力的支撑。下一步可加快Tansat-2, Bikong-1等国产高光谱分辨率甲烷观测卫星的研制，加强CH₄卫星遥感模型和反演算法研究，更好地为我国双碳战略和环境保护事业作出贡献。

课题组简介

中国科学院空天信息创新研究院李正强研究员团队，围绕生态环境保护遥感领域的国家重大战略需求和科技前沿，深入开展卫星遥感和大气环境监测等研究，建立了自主观测大气光学-物理-化学特性的太阳-天空辐射计观测网，推动了系列星载偏振载荷的设计论证和算法工程研发，提升了国产系列偏振卫星的大气环境、地表和海洋参数观测能力，以及我国高分等卫星的大气校正和定量化应用水平。

 通信作者简介 

李正强，中国科学院空天信息创新研究院研究员，博士生导师，国家环境保护卫星遥感重点实验室主任，国际大气环境遥感学会（AERSS）主席，国际偏振观测进展研讨会主席，大气环境遥感与协同分析论坛主席，全国卫星气象与空间天气标准化技术委员会副主任委员，气候变化空间观测台（SCO）国家代表。国家杰出青年科学基金获得者，发表SCI等论文300余篇、专著5本，专利30余项。

他长期从事大气环境遥感、卫星定量探测和大气辐射研究。建立了大气颗粒物光学、微物理和化学成分的协同遥感探测方法，开辟了通过遥感反演手段绘制PM_2.5浓度变化的环境遥感分析研究途径；发展了基于偏振的光学环境遥感技术，据此提出了系列大气校正仪载荷应用方案，在环境-2A/B卫星（2020年）、高分多模卫星（2020年）、碳生态监测卫星（2022年）上获得应用；创建了SONET气溶胶地基观测网，为全球十余颗卫星和国内数十家机构提供基础数据；提出了星载“偏振交火”载荷科学方案，在我国GF-5(02)卫星（2021年）、DQ-1卫星（2022年）等工程上获得实施。

文稿作者 | 何卓，李正强

编辑 | 王晓琰

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