甲烷(CH₄)是一种重要的大气微量成分,其在大气中造成的温室效应仅次于CO₂,而远高于N₂O。同时,CH₄又是化学活性气体,在大气中易被氧化而产生一系列H_xO_y和碳氢氧化物,它们在许多大气成分的化学转化中扮演着重要角色^{[ 1]}。因此CH₄的浓度变化对大气的化学过程和气候变化都具有重要作用。自工业革命以来大气中CH₄的含量迅速增加,目前已是工业化前的2倍多,20世纪80年代中期,CH₄含量以每年高达1%左右的惊人速度增长^{[2, 3]}。目前国内外研究者已经对近地面CH₄的浓度分布和变化规律做了大量系统的研究,但由于缺乏先进的地基和卫星遥感观测仪器,缺少对高光谱遥感数据的处理能力,中国针对CH₄在整层大气中的时空分布特征规律所开展的系统研究不多。

国家卫星气象中心张兴赢研究员承担的国家自然科学基金青年基金项目“中国地区整层大气甲烷柱总量及其垂直分布特征研究(项目批准号：40905056)” 利用德国BRUKER公司生产的国际先进的地基傅立叶红外高光谱仪器(光谱分辨率为0.008 cm^-1),基于国际合作引进并本土化了先进的高光谱数据反演软件,通过开展中国区域甲烷柱总量和垂直廓线监测,获取了我国近2年晴空条件下的地基遥感观测结果,并且利用地面观测验证了卫星CH₄产品的可靠性。利用校正后美国的Aqua卫星的AIRS遥感资料, 系统研究了中国地区整层大气甲烷柱总量及其垂直分布的变化特征和规律,特别是中国地区对流层中高层大气CH₄的时空分布特征。

经过3年的努力,该项目顺利结题并取得如下具体成果：

(1)在国内开展地基高光谱仪器观测获取高分辨率的太阳吸收光谱数据,建立了完善的地基高光谱观测方法,并且形成了《地基傅立叶变换高光谱仪大气光谱观测规范》(QX/T 159-2012)气象行业标准,于2012年11月1日正式颁布实施^{[ 4]},为我国开展地基高光谱观测提供标准规范。

(2)引进了国际先进的地基高光谱数据处理方法,完成了软件的本地化,按照国际统一的观测标准和数据处理方法,获取了中国高精度CH₄垂直分布廓线数据,研究结果揭示了受近地层自然排放与人为活动的共同影响,中国对流层CH₄在垂直分布上呈现典型的变化趋势：随着高度的增加CH₄浓度下降,这些观测数据为研究气候变化提供了宝贵的第一手观测资料。

(3)利用中国地区地基高精度CH₄遥感数据开展对卫星CH₄产品的验证研究,揭示了卫星CH₄产品精度可以满足开展应用研究的需求,为卫星CH₄产品的应用提供了数据精度的保障。

(4)利用国际先进卫星不同高度的CH₄探测数据,开展全球长时间序列大气对流层CH₄浓度的变化规律和特征研究,发现2007年之后全球CH₄出现抬升的趋势,与两极地区冻土和海冰融化释放出来的CH₄有密切关系。

(5)研究结果^{[ 5]}揭示了CH₄在我国东部和北部地区由于受生物源和非生物源的交替影响具有明显的双峰季节变化特征,最高值出现在夏季,次高值出现在冬季,与近地面观测结果一致,而南部地区冬季没有显著增加的人为来源,西部地区人为活动稀少,因此在南部和西部地区的CH₄高值只出现在自然源排放强烈的夏季,研究成果为我国的碳排放决策制定提供了科学参考。

受该项目资助,申请者及研究团队在项目执行期间使用研究的成果发表论文19篇,其中SCI 英文期刊论文7篇,EI 国际会议论文2篇,ISTP论文10篇,其中2篇论文分别获得欧洲航天局和中国国家科技部共同颁发的最佳论文奖和中国遥感卫星辐射定标重点实验室学术年会优秀论文一等奖,其中关于中国地区对流层大气CH₄三维时空分布特征的研究成果得到了美国科学促进会^{[ 6]}和美国航天专业新闻网的转载和报道^{[ 7]}。卫星高光谱温室遥感探测是国际对地观测的前沿探索领域,目前全球只有日本于2009年发射成功的唯一一颗专门用于温室气体探测的卫星,该项目的研究有效地推动了我国自主卫星高光谱温室气体探测的进程,该研究团队为我国的风云三号D星,碳卫星,高分五号卫星上即将搭载不同的高光谱温室气体探测载荷的立项做了大量的基础研究工作,目前这3颗卫星均已进入研制过程,预计在未来3～5年,我国将可以实现利用自主卫星高光谱仪器开展全球温室气体的高精度探测,为国家环境外交和应对气候变化提供决策依据。