國際溫室氣體監(jiān)測衛(wèi)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(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)，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(yè)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(huán)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(tǒng)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(qū)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(tài)監(jiān)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(jiān)測能源和化石燃料密集型國家的人為排放。通過衛(wèi)星遙感監(jiān)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(jiān)測衛(wèi)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(wèi)星任務快速發(fā)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(jiān)測CH4排放量，發(fā)展搭載探測和專用衛(wèi)星正成為溫室氣體監(jiān)測衛(wèi)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(zhàn)略需求、國際氣候談判的挑戰(zhàn)以及負責任大國擔當的義務。因此，亟需動態(tài)掌握國際溫室氣體監(jiān)測衛(wèi)星任務現狀和發(fā)展態(tài)勢，有針對性地布局發(fā)展支撐我國碳中和、碳達峰目標的搭載載荷和專用衛(wèi)星監(jiān)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(tǒng)梳理了全球當前在軌溫室氣體監(jiān)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(wèi)星開發(fā)組織（EUMETSAT）、日本宇宙航空研究開發(fā)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(wèi)星公司（GHGSat）等國家或地區(qū)的機構和企業(yè)在研和規(guī)劃確定的溫室氣體監(jiān)測任務，可為我國未來多渠道布局相關空間對地觀測衛(wèi)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(jiān)測衛(wèi)星總覽

空間溫室氣體監(jiān)測最早源于對地觀測衛(wèi)星載荷搭載。ESA 已經退役的環(huán)境衛(wèi)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(yōu)先級空間觀測計劃，全面布局了相關的科學衛(wèi)星、業(yè)務衛(wèi)星和搭載載荷。

日本2009 年1 月23 日發(fā)射的呼吸號溫室氣體觀測衛(wèi)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(wèi)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(wèi)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(fā)射了一顆碳觀測衛(wèi)星（OCO），因火箭故障而致任務失敗，但OCO-2衛(wèi)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(yè)務觀測衛(wèi)星及探測載荷、監(jiān)測數據庫，對全球溫室氣體監(jiān)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(huán)境監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用，為全球碳循環(huán)、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(jiān)測衛(wèi)星的主要代表。例如，科研人員利用OCO-2 衛(wèi)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(fā)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(jiān)測到CO2水平的變化與每小時發(fā)電量的波動一致。研究團隊還監(jiān)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(wèi)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(jiān)測空間任務一覽表 （截至2023年4月）

續(xù)表1

三、國際溫室氣體監(jiān)測衛(wèi)星未來任務

隨著航天技術升級，對地觀測衛(wèi)星有效載荷的觀測能力不斷改進，但任何單獨一顆衛(wèi)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(wèi)星對地觀測委員會（CEOS）提出，將在2025 年建成業(yè)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(wèi)星的重大要求就是，根據科學和應用目標，將多顆衛(wèi)星組成一個虛擬的衛(wèi)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(tǒng)，監(jiān)測碳通量，并區(qū)分和量化人為碳排放、生態(tài)系統(tǒng)碳源匯等。為此，調研了全球在研和規(guī)劃確定的新一代溫室氣體監(jiān)測衛(wèi)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(xù)相關工作提供基礎輸入。

不難發(fā)現，歐洲將延續(xù)對全球變化的投入，通過擴大哥白尼計劃的觀測能力、發(fā)展第二代氣象業(yè)務衛(wèi)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(chuàng)企業(yè)和非政府組織（基金會）開始主動介入CH4衛(wèi)星監(jiān)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(yè)養(yǎng)殖等產業(yè)發(fā)展，其中原因值得玩味。

1．歐洲積極研發(fā)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(huán)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(guī)劃部署了溫室氣體空間觀測任務，加快研發(fā)針對人為碳排放的高精度定量監(jiān)測衛(wèi)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(jiān)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(zhàn)，歐洲仍在綜合發(fā)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(wèi)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(wèi)星（MERLIN），擬于2024 年發(fā)射，有望提高人們對全球及區(qū)域尺度，尤其是補充對冬季高緯度地區(qū)和熱帶多云地區(qū)CH4源匯分布的認識。

地球科學衛(wèi)星是ESA 空間科學的重點之一。繼Envisat 后，僅就溫室氣體排放監(jiān)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(wèi)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(fā)地球系統(tǒng)過程大氣監(jiān)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(jiān)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(fā)射5 顆哥白尼計劃衛(wèi)星，其中就包括計劃于2025 ～2026 年分別發(fā)射的哨兵7 號CO2M-A 和CO2M-B兩顆衛(wèi)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(qū)分CO2是否來自人為排放，提供有關各個國家、地區(qū)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(zhí)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(guī)劃確定的國際溫室氣體監(jiān)測衛(wèi)星任務匯總

令各界關注的世界首個地球靜止軌道碳循環(huán)觀測臺（GeoCarb），屬于NASA 在2016 年遴選的地球創(chuàng)投任務（EVM-2），曾擬作為歐洲衛(wèi)星公司（SES）商業(yè)通信衛(wèi)星的搭載載荷，計劃于2025 年1 月發(fā)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(yè)區(qū)、南美熱帶雨林和濕地等重點區(qū)域的溫室氣體CO2、CH4和污染氣體CO等進行連續(xù)監(jiān)測，將打破極軌衛(wèi)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(wèi)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(jiān)測衛(wèi)星，但發(fā)射窗口不會早于2030 年。

3．商業(yè)航天已布局CH4 監(jiān)測立方星座

來自WMO 全球大氣監(jiān)視網（GAW）計劃的長期高質量地面觀測發(fā)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(tǒng)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(qū)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(wèi)星任務（表2），加拿大溫室氣體衛(wèi)星公司（GHGSat）、美國軌道伙伴公司（Orbital Sidekick）等眾多初創(chuàng)企業(yè)，敏感看到了溫室氣體觀測這一生機勃勃的商業(yè)航天產業(yè)新風口，在CEOS 2014《空間碳觀測戰(zhàn)略》發(fā)布后，就著手利用立方星[7]等微/小衛(wèi)星平臺，對發(fā)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(jiān)測。

以GHGSat 為例，該公司規(guī)劃了由12 顆16U立方星構成的星座，并于2016 年發(fā)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(jiān)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(huán)保組織美國環(huán)保協會（EDF）、碳 地 圖（Carbon Mapper） 等 也 在 研 發(fā)CH4監(jiān)測小型衛(wèi)星。美國的藍田技術公司（Bluefield Technologies）也宣布將發(fā)射由20 顆對流層低層CH4觀測衛(wèi)星（COOL）構成的微小衛(wèi)星星座。

毫無疑問，煤炭、石油和天然氣等化石能源行業(yè)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(yè)機會。而無論是出于發(fā)現由于作業(yè)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(yè)巨頭本可控制的大型CH4逃逸排放，這些初創(chuàng)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(chuàng)紀錄的溫室氣體濃度以及愈發(fā)頻繁的極端天氣事件，已對人類可持續(xù)發(fā)展構成巨大威脅。國際社會已認識到溫室氣體空間監(jiān)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(fā)展?；趯崿F可持續(xù)發(fā)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(wèi)星遙感技術與歐美相比雖有個別技術優(yōu)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(jiān)測衛(wèi)星任務最新態(tài)勢，做到知己知彼，對于制定我國碳盤點衛(wèi)星遙感體系發(fā)展戰(zhàn)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。