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。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。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
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。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。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。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PM2.5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。编辑 | 王晓琰
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