國際溫室氣體監測衛星任務及展望

文 | 白青江 時蓬 尤亮 范全林

中國科學院國家空間科學中心

一、引言

全球氣候變化已成為制約人類社會可持續發展的重大挑戰，地球大氣層溫室氣體濃度升高是導致全球變暖的重要因素。世界氣象組織（WMO）2022 年溫室氣體公報顯示，2021 年主要溫室氣體的全球大氣平均濃度達到新高，其中二氧化碳（CO2）為415.7±0.2ppm，甲 烷（CH4）為1908±2ppb，氧化亞氮（N2O）為334.5±0.1ppb。這些數值分別為工業化前（1750 年前）水平的149%、262%和124%。CO2是大氣中最重要的人為溫室氣體，約占長壽命溫室氣體（LLGHG）輻射強迫的66%；CH4雖屬痕量氣體，但也有約16%的“貢獻”，具有“壽命短”“增溫大”的特點，且在100 年時間尺度上其全球增溫潛勢（GWP）可達到CO2的28 倍、在20 年尺度上CH4的GWP 更是CO2的84 倍，成為引起氣候變化的第二大因素。

減少溫室氣體人為排放是緩解全球增溫趨勢和改善大氣環境質量的最主要途徑，其主要著力點之一就是減少CO2和CH4兩類最重要溫室氣體的人為排放，制定科學有效的減排方案并對其減排效果進行評價。與傳統的地基網絡觀測相比，空間對地觀測能提供較高時空分辨率的全球范圍和區域尺度的CO2和CH4源匯分布和濃度變化等科學數據，支撐全球大氣成分的動態監測和全球碳盤點計劃。2015年《巴黎協定》提出了利用可測量、可報告、可核查的“三可”（MRV）方法體系建立一個透明框架，監測能源和化石燃料密集型國家的人為排放。通過衛星遙感監測人為碳排放，對國家排放清單進行驗證和補充勢在必行。

眾多航天國家和機構都非常重視主動應對國際氣候變化，碳監測衛星已經從致力于解決從無到有、提高干燥空氣下的CO2柱濃度（XCO2）探測精度的第一代任務，向主被動結合、組網觀測以服務全球碳盤點清單校核的新一代衛星任務快速發展[1-2]。鑒于控制CH4排放對緩解全球增溫具有顯著效果，致力于快速定位點排放源并定量監測CH4排放量，發展搭載探測和專用衛星正成為溫室氣體監測衛星新熱點[3]。我國被西方認為是碳排放量最大的國家，面臨碳中和戰略需求、國際氣候談判的挑戰以及負責任大國擔當的義務。因此，亟需動態掌握國際溫室氣體監測衛星任務現狀和發展態勢，有針對性地布局發展支撐我國碳中和、碳達峰目標的搭載載荷和專用衛星監測體系，以維護我國在全球碳核查中的核心利益。

基于此，本文系統梳理了全球當前在軌溫室氣體監測任務，介紹了美國國家航空航天局（NASA）及國家海洋和大氣管理局（NOAA）、歐洲航天局（ESA）、歐洲氣象衛星開發組織（EUMETSAT）、日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）、法國國家空間研究中心（CNES）和德國航空航天中心（DLR），以及加拿大溫室氣體衛星公司（GHGSat）等國家或地區的機構和企業在研和規劃確定的溫室氣體監測任務，可為我國未來多渠道布局相關空間對地觀測衛星，以便為準確“摸清家底”、達成“雙碳”目標提供有益參考。

二、全球在軌溫室氣體監測衛星總覽

空間溫室氣體監測最早源于對地觀測衛星載荷搭載。ESA 已經退役的環境衛星（Envisat）搭載的掃描成像吸收光譜大氣制圖儀（SCIAMACHY）是首個實現對流層和平流層的溫室氣體全球測量的空間探測載荷，奠定了歐洲世界溫室氣體空間探測起步早的歷史地位。歐盟已將溫室氣體空間遙感列入高優先級空間觀測計劃，全面布局了相關的科學衛星、業務衛星和搭載載荷。

日本2009 年1 月23 日發射的呼吸號溫室氣體觀測衛星（IBUKI/GOSAT）是世界上首顆對地球大氣CO2、CH4和O3開展觀測的專用衛星，配置了兩個碳觀測載荷——熱&近紅外傅里葉變換光譜儀（TANSO-FTS）、熱&近紅外云和氣溶膠成像儀（TANSO-CAI），前者探測溫室氣體，后者校正云和氣溶膠對前者光譜的散射干擾，提高反演精度。GOSAT 衛星目前仍在軌運行，并與2018 年10 月29 日升空的繼任者GOSAT-2 遂行協同觀測。

美國擁有世界最強大的空間對地觀測能力。NASA 曾于2009 年2 月24 日發射了一顆碳觀測衛星（OCO），因火箭故障而致任務失敗，但OCO-2衛星于2014 年7 月2 日順利入軌。目前NASA 會同NOAA 運行著數量眾多的溫室氣體科學觀測和業務觀測衛星及探測載荷、監測數據庫，對全球溫室氣體監測有著舉足輕重的影響。

表1 給出了迄今仍在軌的溫室氣體觀測空間任務，包括5 個專用任務（含1 個立方星星座）及20 余個兼顧溫室氣體目標的綜合性對地觀測空間任務，以及國際空間站（ISS）搭載。

這些空間任務在地球大氣和環境監測中發揮著重要作用，為全球碳循環、氣候變化和溫室氣體減排提供了關鍵的科學依據，是第一代溫室氣體監測衛星的主要代表。例如，科研人員利用OCO-2 衛星和國際空間站搭載的OCO-3 的觀測數據，量化了世界排名第五、歐洲最大燃煤電廠波蘭貝爾察托夫發電站方圓數百千米內的CO2排放。通過對2017年至2022 年期間該工廠煙塵排放的分析，監測到CO2水平的變化與每小時發電量的波動一致。研究團隊還監測到因臨時和永久的設備關停減少的工廠總排放量情況。這意味著衛星觀測可用于從源頭追蹤局地范圍內的CO2排放和減排情況[4]。

表1 全球在軌溫室氣體監測空間任務一覽表 （截至2023年4月）

續表1

三、國際溫室氣體監測衛星未來任務

隨著航天技術升級，對地觀測衛星有效載荷的觀測能力不斷改進，但任何單獨一顆衛星都無法滿足CO2和CH4全球精細探測的需求。另一方面，197 個國家簽署的《巴黎協定》提出，自2023 年起每5 年進行一次全球碳盤點，評估各國減排成績，并對行動不力的國家進行問責。此后國際衛星對地觀測委員會（CEOS）提出，將在2025 年建成業務化虛擬星座（AC-VC）運行，支撐2028 年第二次全球碳盤點。

顯然，對未來新一代碳衛星的重大要求就是，根據科學和應用目標，將多顆衛星組成一個虛擬的衛星星座，通過組網觀測，以滿足全球溫室氣體清單校核的需求。在此基礎上，還需要通過同化反演系統，監測碳通量，并區分和量化人為碳排放、生態系統碳源匯等。為此，調研了全球在研和規劃確定的新一代溫室氣體監測衛星及相關主要載荷（表2），對不同渠道的代表性國際任務進行了分析，為后續相關工作提供基礎輸入。

不難發現，歐洲將延續對全球變化的投入，通過擴大哥白尼計劃的觀測能力、發展第二代氣象業務衛星載荷，積極掌握碳盤點主動；形成鮮明對比的是美國因超預算等原因叫停在研任務。需要關注的是，諸多初創企業和非政府組織（基金會）開始主動介入CH4衛星監測，密切關注占CH4總排放60%的人為排放，而這直接關乎相關國家化石燃料開采、乳畜業養殖等產業發展，其中原因值得玩味。

1．歐洲積極研發CO2M 等多個新任務

長期以來歐洲非常關注全球氣候變化，并把超前的環境憂患意識轉化為集體決策和行動。從表2可以看出，ESA、歐盟（EU）、EUMETSAT 等政府間組織，以及法國、德國等歐洲國家都規劃部署了溫室氣體空間觀測任務，加快研發針對人為碳排放的高精度定量監測衛星，以期為歐洲提供獨特和獨立的碳排放信息源，確保2017 年歐盟針對溫室氣體人為排放過程提出的可監測、可驗證、可支撐（MVS）的建設需求落地，并跟蹤其對歐洲脫碳和實現國家減排目標的影響。

應對全球變暖重大挑戰，歐洲仍在綜合發力，以保持其空間對地觀測技術的世界領先地位。繼我國大氣一號衛星搭載激光雷達開展CO2探測后，德、法正在聯合研制的灰背隼號甲烷激光雷達探測衛星（MERLIN），擬于2024 年發射，有望提高人們對全球及區域尺度，尤其是補充對冬季高緯度地區和熱帶多云地區CH4源匯分布的認識。

地球科學衛星是ESA 空間科學的重點之一。繼Envisat 后，僅就溫室氣體排放監測這個主題，在其地球探索者計劃（Earth Explorer，EE）中，凱爾特號大氣變化紅外層析成像衛星（Cairt）正在開展初步可行性研究；在其未來地球觀測計劃（FutureEO）中，新增了小型偵察兵任務（Scout），其中正在研發地球系統過程大氣監測立方星座（EPS-MACCS-A/B/C）。

EU 的哥白尼哨兵擴展任務部署了6 個新任務，人為CO2排放監測星座任務（CO2M）位居其中。2022 年11 月，EU 與阿里安航天公司簽訂發射5 顆哥白尼計劃衛星，其中就包括計劃于2025 ～2026 年分別發射的哨兵7 號CO2M-A 和CO2M-B兩顆衛星。未來，CO2M 將精確測量大氣溫室氣體CO2、CH4和污染氣體NO2的濃度，通過區分CO2是否來自人為排放，提供有關各個國家、地區和城市排放量的可靠信息，作為歐盟MVS 能力的空間段部分，助力驗證《巴黎協定》的目標和執行情況是否得到實現。

2．美國取消在研GeoCarb 任務令人遺憾

表2 在研和規劃確定的國際溫室氣體監測衛星任務匯總

令各界關注的世界首個地球靜止軌道碳循環觀測臺（GeoCarb），屬于NASA 在2016 年遴選的地球創投任務（EVM-2），曾擬作為歐洲衛星公司（SES）商業通信衛星的搭載載荷，計劃于2025 年1 月發射升空，在西經85°的地球靜止軌道上，對西半球北美主要城市和工業區、南美熱帶雨林和濕地等重點區域的溫室氣體CO2、CH4和污染氣體CO等進行連續監測，將打破極軌衛星重訪時間長進而可能遺漏氣候變化、碳交換關鍵信息的局限，通過加大觀測頻次關聯濃度與人為源排放，彌補OCO-2/3 和其他低軌道衛星的數據缺口，具有重要的科學和應用價值。但2022 年11 月，NASA 宣布終止GeoCarb 任務，稱其決定是出于“技術問題、成本性能和新的替代數據源的可用性”[5]。雖然NASA表示還將遴選部署新的溫室氣體監測衛星，但發射窗口不會早于2030 年。

3．商業航天已布局CH4 監測立方星座

來自WMO 全球大氣監視網（GAW）計劃的長期高質量地面觀測發現，自2007 年以來，全球大氣的CH4呈上升趨勢，且其增長速度正在加快；2020 年和2021 年的年度增幅是自1983 年有系統記錄以來最大增幅[6]。與CO2主要由人類活動產生不同，地表CH4的排放源分為自然源和人為源，后者約占60%。但CH4地表測量提供的“自下而上”信息有限，無法區分地表排放量的增加和大氣匯的減少，致使解讀觀測到的CH4增長率變化存在巨大困難。2021 年11 月，世界105 個國家在美國、歐盟主導下簽署的《全球甲烷承諾》（我國暫未加入），反映了國際社會對CH4減排重要性和緊迫性的新認知。

除了國家層面的CH4衛星任務（表2），加拿大溫室氣體衛星公司（GHGSat）、美國軌道伙伴公司（Orbital Sidekick）等眾多初創企業，敏感看到了溫室氣體觀測這一生機勃勃的商業航天產業新風口，在CEOS 2014《空間碳觀測戰略》發布后，就著手利用立方星[7]等微/小衛星平臺，對發電廠、天然氣田和輸送管道等點排放源開展了高空間分辨率的CH4遙感監測。

以GHGSat 為例，該公司規劃了由12 顆16U立方星構成的星座，并于2016 年發射了首顆演示驗證星“克萊爾”（GHGSat-D Claire），其搭載的小型廣角法布里-珀羅（Fabry-Pérot）成像光譜儀于2018 年2 月—2019 年1 月期間多次監測到土庫曼斯坦西部巴爾干省科爾佩哲油氣田大量CH4泄漏[8]。

此外非贏利性環保組織美國環保協會（EDF）、碳 地 圖（Carbon Mapper） 等 也 在 研 發CH4監測小型衛星。美國的藍田技術公司（Bluefield Technologies）也宣布將發射由20 顆對流層低層CH4觀測衛星（COOL）構成的微小衛星星座。

毫無疑問，煤炭、石油和天然氣等化石能源行業必須率先行動起來，以降低CH4泄露和排放，這也意味著更高的經濟效益和就業機會。而無論是出于發現由于作業疏忽或技術問題形成的溫室氣體排放源，還是協助查找行業巨頭本可控制的大型CH4逃逸排放，這些初創公司的未來都給人留下巨大的想象空間。

四、結語

全球面臨著日益嚴重的能源危機、創紀錄的溫室氣體濃度以及愈發頻繁的極端天氣事件，已對人類可持續發展構成巨大威脅。國際社會已認識到溫室氣體空間監測手段對于促進碳減排不可或缺，并向主被動、高低軌、星座組網協同探測趨勢發展。基于實現可持續發展的內在要求和構建人類命運共同體的責任擔當，我國已在2020 年宣布了碳達峰和碳中和的目標愿景。我國溫室氣體衛星遙感技術與歐美相比雖有個別技術優勢，但就高性能輕小型溫室氣體光譜儀等關鍵有效載荷而言，總體上提升空間仍較大[9-10]。及時把握國際溫室氣體監測衛星任務最新態勢，做到知己知彼，對于制定我國碳盤點衛星遙感體系發展戰略，支持國家參與氣候變化國際談判和科技外交將是有益的參考。