《Atmospheric Research》：Atmospheric methane retrieval and validation using FY-3F/ HIRAS-II observations
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本研究利用FY-3F卫星搭载的HIRAS-II高光谱红外大气探测器数据，通过信息熵筛选敏感波段并结合阻尼牛顿算法，反演得到CH4垂直浓度分布。结果显示在300-500 hPa层与地面NDACC观测数据相关系数超过0.75，相对偏差小于±3%。以北京-天津-河北（BTH）地区为例，分析2024年CH4时空变化特征，揭示其与人为排放源相关的季节性和空间分布规律，证实HIRAS-II在CH4监测中的技术有效性，为我国温室气体卫星遥感监测提供关键技术支撑。
方伟芳|李晓英|程天海|李深深|郭宇航|卢文静
中国科学院航空航天信息研究所，北京 100094，中国
摘要
甲烷（CH?）是仅次于二氧化碳的第二大人为温室气体。其垂直分布对于识别排放源和评估气候影响至关重要。本研究旨在利用风云-3F（FY-3F）卫星上搭载的第二代高光谱红外大气探测仪（HIRAS-II）的观测数据，反演大气中的甲烷垂直分布。基于信息熵理论，选取了最敏感的光谱通道，并采用阻尼牛顿算法反演甲烷体积混合比。反演结果通过与大气成分变化检测网络（NDACC）的地面高分辨率光谱观测数据进行了验证。比较显示，在300–500 hPa层内，甲烷柱平均浓度的相关系数超过0.75，相对偏差小于±3%。以京津冀地区（BTH）为代表，分析了2024年甲烷浓度的时空变化。研究结果表明甲烷具有明显的季节性变化特征及与人为排放源相关的空间分布规律。这表明HIRAS-II能够有效反演大气中的甲烷垂直分布信息，为中国利用卫星遥感监测温室气体提供了关键技术支持。
引言
甲烷（CH?）是仅次于二氧化碳的第二大人为温室气体。在100年的时间尺度上，其全球变暖潜力约为二氧化碳的28倍（Zhou等人，2018年）。美国国家海洋和大气管理局（NOAA）全球监测实验室（GML）的地面观测数据显示，过去十年甲烷增长率一直很高，年均超过6 ppb。2021年，甲烷增长率达到17.91 ± 0.45 ppb/year，是1984年至2024年间记录的最高值（Lan等人，2025年）。甲烷在地球能量平衡和大气成分的化学转化中起着关键作用：在对流层中，甲烷影响臭氧和羟基自由基的浓度；在平流层中，它有助于保护臭氧层并增加水汽含量（Zeng等人，2022年）。甲烷的主要人为排放源包括煤炭开采、石油和天然气开采、农业以及废物处理等活动，自然来源包括湿地、内陆水域、生物质燃烧和永久冻土。甲烷的主要汇包括羟基自由基的氧化、土壤中的微生物消耗以及与氯原子的反应（Thanwerdas等人，2019年）。甲烷的大气寿命约为9.25 ± 0.6年（Climate Change，2021年），明显短于二氧化碳。因此，控制甲烷排放可以有效减缓近期全球变暖。准确评估全球和地区的甲烷排放量为制定减排策略提供了科学依据。目前，用于建模和量化全球甲烷源汇的关键数据包括高精度的原位甲烷测量数据及甲烷同位素数据。然而，甲烷排放的显著时空变异性以及地面观测网络的分布稀疏性（尤其是在极地地区）导致在确定排放源类型和区域时存在较大不确定性（Xiong等人，2013年）。自20世纪90年代以来，由于卫星遥感具有较高的空间和时间分辨率以及广泛的覆盖范围，其应用已得到快速发展。
利用切向观测几何结构的边缘和掩星观测技术主要用于研究平流层中的甲烷分布和变化。例如，欧洲航天局（ESA）环境卫星（Envisat）上搭载的迈克尔逊干涉仪被动大气探测仪（MIPAS）可提供4.15–14.6 μm光谱范围内的全球痕量气体测量数据（Kleinert等人，2018年）。加拿大科学卫星1号（SCISAT-1）上的大气化学实验-傅里叶变换光谱仪（ACE-FTS）可反演从对流层上部到中间层的气温、压力及包括甲烷在内的数十种痕量气体的分布（Yao等人，2022年）。大气化学观测与建模卫星（Aura）上的高分辨率动态边缘探测仪（HIRDLS）可反演0.01至1000 hPa压力范围内的甲烷浓度分布（Lambert等人，2026年）。高分贝5号（GF-5）卫星上的大气红外超光谱探测仪（AIUS）可研究南极地区对流层上部和平流层的痕量气体化学过程，其中7–9 μm光谱范围用于甲烷反演（Cao等人，2021年；Li等人，2019年）。
天底观测通过传感器对卫星下方的点进行跨轨道扫描，从而获取目标物质的后向散射和热辐射信息。根据光谱范围，现有传感器可分为两类：短波红外（SWIR）传感器和热红外（TIR）传感器，分别用于检测0.78–3 μm和3–14 μm光谱带内的甲烷。在SWIR领域，Envisat上的扫描成像吸收光谱仪（SCIAMACHY）可观测对流层和平流层中的甲烷，提供有关甲烷来源的关键信息（Wecht等人，2014年）。Sentinel-5P上的对流层监测仪（TROPOMI）凭借其高分辨率和信噪比，能够从局部到区域尺度检测和量化甲烷排放（Lorente等人，2021年）。中国运行的风云-3D（FY-3D）卫星配备了温室气体吸收光谱仪（GAS），可全球范围内高精度反演总柱温室气体浓度（Bi等人，2022年）。GF-5卫星的温室气体监测仪（GMI）采用空间外差光谱技术进行高精度测量，是首个在全球范围内采用该技术的空间温室气体传感器（Wei，2019年）。在TIR领域，美国国家航空航天局（NASA）运行的地球观测系统（EOS）Aqua卫星上的大气红外探测仪（AIRS）对中对流层上部的甲烷具有高灵敏度（Xiong等人，2008年）。欧洲气象卫星组织（EUMETSAT）的Meteorological Operational卫星-A（MetOp-A）上的红外大气探测干涉仪（IASI）在7.7 μm光谱范围内提供九个甲烷敏感通道，这些通道受其他气体干扰较小。结合温度敏感的先进微波探测单元（AMSU）通道，甲烷反演精度可达到约16 ppb（约0.9%）（Crevoisier等人，2009年）。日本的温室气体观测卫星（GOSAT）搭载的热红外和近红外传感器-傅里叶变换光谱仪（TANSO-FTS）可通过三个SWIR通道观测地球表面和大气反射的太阳光（Butz等人，2011年）。利用基于最优估计理论的迭代反演算法，甲烷柱浓度反演精度可达约0.6%（Cressot等人，2014年）。Suomi-NPP卫星上的跨轨道红外探测仪（CrIS）作为AIRS的继任者，为天气和气候应用提供了更准确的大气温度和湿度数据（Smith和Barnet，2020年）。
中国风云-3系列极轨气象卫星上的HIRAS-II拥有超过3000个高分辨率通道，能够反演大气温度、湿度分布及痕量气体的垂直分布（Li等人，2023年）。其中的中红外通道覆盖了甲烷在7.6 μm处的强吸收带，并包含多个低干扰的甲烷敏感通道，适用于反演对流层中上部的甲烷浓度。与主要关注总柱甲烷的SWIR仪器相比，HIRAS-II具有更高的垂直分辨率，为反演区域到全球尺度的甲烷分布提供了重要数据支持。
本研究利用FY-3F HIRAS-II仪器的第一级观测数据，结合最优估计框架和阻尼牛顿算法，反演了京津冀地区的甲烷垂直分布。构建了一个专门的大气背景剖面数据库以提供先验信息，整合了多颗卫星和再分析产品的数据。基于辐射敏感性分析的全面通道选择策略用于确定甲烷反演的最佳光谱区间。结果表明，FY-3F/HIRAS-II观测能够捕捉到京津冀地区甲烷的季节性变化和空间分布特征，尤其在300–500 hPa层具有更高的灵敏度。本研究的主要贡献包括：（1）开发了基于FY-3F HIRAS-II的甲烷剖面反演方法；（2）构建了专门适用于甲烷反演的更新全球大气背景剖面数据库；（3）引入了基于参数扰动敏感性分析的通道选择方法，以识别富含甲烷信息的光谱区域。
本文结构如下：第2节描述了数据集、正向模型配置和反演方法；第3节展示了京津冀地区的通道选择结果和甲烷反演性能；第4节分析了反演不确定性和相关误差来源；第5节给出了结论。
京津冀地区概述
京津冀地区是中国北方最重要的城市聚集区，以北京和天津为中心，还包括河北省的11个地级市。京津冀地区的行政边界如图1所示。
该地区拥有中国最完整的工业体系，以能源密集型产业为主，包括能源加工、钢铁冶金、建筑材料和石化产业。
结果与误差分析
根据Rodgers（2000年）提出的反演误差理论框架，反演总不确定性主要来源于三类误差：
•平滑误差，由于垂直分辨率有限导致实际大气状态信息的丢失；
•测量误差，主要由仪器测量的不确定性引起；
•正向模型参数误差，指正向模型输入（如温度、水汽等）的不确定性传播
HIRAS-II与TROPOMI甲烷反演结果的比较分析
大气甲烷的遥感可以在不同的光谱区域和观测模式下进行，它们的物理检测机制、垂直灵敏度和误差来源存在显著差异。Sentinel-5P/TROPOMI传感器是目前全球甲烷监测的核心，主要利用SWIR观测来反演干空气的柱平均摩尔分数（Lorente等人，2021年）。相比之下，FY-3F/HIRAS-II则利用TIR观测来获取甲烷的垂直体积混合比。结论
基于FY-3F/HIRAS-II高光谱红外探测仪数据，本研究成功利用反向传播模型（RFM）结合阻尼牛顿算法反演了大气中的甲烷垂直分布。反演结果与300–500 hPa敏感层内六个NDACC站的观测数据进行了比较和评估。结果显示，HIRAS-II数据反演的甲烷产品在敏感层内表现出良好的稳定性和一致性。
CRediT作者贡献声明
方伟芳：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件开发、方法论研究、数据整理。李晓英：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理和资金获取、概念构思。程天海：撰写 – 审稿与编辑、监督。李深深：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取。郭宇航：撰写 – 审稿与编辑、数据分析。卢文静：撰写 – 审稿与
资金来源
本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2023YFB3907405）和国家遥感与数字地球重点实验室建设与运行项目（项目编号：E53D02010A）的支持。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究使用的HIRAS-II一级数据来自国家气象卫星中心（NCMMS）的风云卫星遥感数据服务网络。NDACC的地面剖面数据通过NDACC快速交付（RD）数据访问服务下载。ERA5再分析数据由哥白尼气候变化服务（C3S）通过气候数据存储提供。AIRS二级版本7的产品通过NASA戈达德太空飞行中心获取。
