类型b：学术报告
作者及机构
本文由姚璐（中国科学院大气物理研究所）、杨东旭（中国科学院大气物理研究所）、蔡兆男（中国科学院大气物理研究所）等合作完成，发表于2022年11月的《大气科学》（Chinese Journal of Atmospheric Sciences）第46卷第6期。研究团队还包括来自湖南省气象科学研究所、中国科学院微小卫星创新研究院及中国气象局国家卫星气象中心的学者。
研究主题
本文是一篇综述性论文，聚焦于面向中国“碳中和”与“碳达峰”目标的大气甲烷（CH₄）卫星观测技术现状与发展趋势分析。文章系统梳理了甲烷卫星探测的科学需求、技术现状、数据应用及未来发展方向，并探讨了中国在该领域的战略布局。
主要观点与论据
1. 甲烷减排的科学意义与政策背景
甲烷是仅次于二氧化碳（CO₂）的第二大温室气体，其百年尺度全球增温潜势（GWP）是CO₂的28倍，对人为辐射强迫的贡献率达18%。2021年IPCC第六次评估报告首次强调甲烷减排对缓解全球升温的短期有效性，而中国在“十四五”规划中也首次将甲烷管控纳入国家政策。文章指出，减少甲烷排放是实现“碳中和”目标的关键补充手段，同时可协同改善空气质量。
支持论据：
- 甲烷浓度自工业革命前增长近3倍，2021年全球平均浓度达1895.32 ppb（Lan et al., 2022）。
- 人为排放占总排放的60%，其中化石燃料（35%）和农业活动（56%）是主要来源，但自然源（如湿地）的不确定性高达100%（Saunois et al., 2020）。
- IPCC提出“自上而下”（top-down）通量核算方法，需依赖高精度全球甲烷观测数据验证排放清单。
2. 甲烷卫星探测的技术需求与发展现状
文章对比了地基观测与卫星探测的优劣：地基网络（如TCCON、COCCON）虽精度高（XCH₄误差<0.3%），但空间覆盖不足；卫星遥感可提供高时空分辨率的全球数据，但需解决近地面敏感性和干扰因素（如云、气溶胶）的影响。
技术现状分析：
- 早期卫星：如ENVISAT搭载的SCIAMACHY（2002年发射），首次尝试短波红外甲烷探测，但空间分辨率低（30 km×60 km），单点误差达11–15 ppb。
- 当前主流卫星：
- 日本GOSAT/GOSAT-2（2009/2018年发射）：采用傅里叶变换光谱仪（TANSO-FTS），信噪比300，但幅宽有限（直径10.5 km）。
- 欧洲Sentinel-5P/TROPOMI（2017年发射）：推扫式成像，空间分辨率7 km×7 km，每日全球覆盖，XCH₄误差降至4.3 ppb（0.2%）。
- 中国GF-5/GMI（2018年发射）：采用空间外差光谱技术（SHS），但尚未形成业务化能力。
- 商业卫星：如加拿大GHGSat系列（空间分辨率30–60 m），专精工业点源监测，但覆盖范围有限。
3. 甲烷卫星数据反演算法与应用挑战
文章详细阐述了三种主流反演算法：
- Proxy算法：利用CO₂作为代理修订光程误差，但依赖CO₂数据精度（如GOSAT的UOL-Proxy算法单点误差13.72 ppb）。
- WFM-DOAS算法：基于差分吸收光谱技术，适用于TROPOMI，但需高精度气象场支持。
- 全物理算法：如NIES-FP（GOSAT）、ACOS（OCO-2）、IAPCAS（中国碳卫星），通过辐射传输模型降低散射误差，反演精度可达1.47 ppm（XCO₂）。
应用挑战：
- 数据精度不足：通量反演要求单点误差 ppb（GHG-CCI, 2020），现有算法仅达1%。
- 时空覆盖局限：极轨卫星重访周期长（如TROPOMI需16天），且短波红外受云干扰严重。
4. 中国下一代甲烷卫星的发展方向
文章提出中国需构建自主甲烷观测体系：
- 卫星设计：第二代碳卫星（TANSAT-2）将扩展CH₄和CO探测能力，结合宽幅扫描（如FY-3H/GAS-2的100 km幅宽）与高光谱分辨率（信噪比300）。
- 技术创新：发展主被动联合探测（如DQ-1激光雷达）、烟羽快速识别算法及通量同化系统。
- 国际合作：参与CEOS虚拟星座计划，支撑全球碳盘点。
5. 甲烷卫星观测的科学应用潜力
文章总结了卫星数据在以下领域的价值：
- 排放监测：TROPOMI已成功量化区域面源排放（如油气田），GHGSat可定位工业点源。
- 通量估算：结合大气化学传输模型（如TM5），卫星数据可降低通量不确定性85%（Yang et al., 2017）。
- 政策支撑：为《巴黎协定》全球碳盘点和中国“双碳”目标评估提供数据基础。
论文的意义与价值
本文系统整合了甲烷卫星探测的技术链（载荷设计—反演算法—通量应用），首次从中国“碳中和”战略需求出发，提出兼顾科学目标与工程可行性的卫星发展路径。其价值体现在：
1. 科学层面：厘清了不同探测技术（热红外/短波红外/激光雷达）的适用场景，为优化观测系统设计提供依据。
2. 技术层面：指出算法精度提升（如改进气溶胶模型）和计算效率优化是未来重点。
3. 政策层面：强调建立自主甲烷监测体系的紧迫性，以应对国际气候谈判与排放核查需求。
亮点
- 全面性：覆盖从卫星传感器到终端应用的完整技术链条。
- 前瞻性：提出中国第二代碳卫星的多目标协同探测设计。
- 批判性：指出当前数据精度与模型分辨率不匹配的核心瓶颈。