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卫星遥感监测2003~2018年中国甲烷时空特征分析

一、研究作者与发表信息

本研究由彭禹奇^1,2、蔡宏珂¹、蔡兆男²合作完成，分别来自成都信息工程大学大气科学学院和中国科学院大气物理研究所碳中和研究中心。论文发表于《Remote Sensing Technology and Application》（遥感技术与应用）2024年第39卷第4期，出版时间为2024年8月，DOI编号为10.11873/j.issn.1004-0323.2024.4.0841。

二、学术背景与研究目标

甲烷（CH₄）是仅次于二氧化碳（CO₂）的第二大温室气体，其全球增温潜势（Global Warming Potential, GWP）在100年尺度上是CO₂的28~36倍。自工业革命以来，大气甲烷浓度从1750年的720 ppbv（十亿分之一体积混合比）增至2021年的1900 ppbv，增幅近3倍（IPCC第六次评估报告）。中国作为全球甲烷排放大国，其甲烷时空分布特征对全球气候变化研究具有重要意义。

然而，传统地基观测受限于站点稀疏性，难以获取大范围甲烷浓度数据。卫星遥感技术（如AIRS、SCIAMACHY、GOSAT等）可弥补这一缺陷，提供全球覆盖的甲烷柱浓度信息。本研究基于欧盟气候变化服务中心（Copernicus Climate Change Service, C3S）提供的多源卫星数据（SCIAMACHY、GOSAT、IASI），结合TCCON（总碳柱观测网络）合肥站点的地基验证数据，分析了2003~2018年中国甲烷浓度的时空变化特征，旨在揭示其分布规律及驱动因素。

三、研究流程与方法

1. 数据来源与验证

   • 卫星数据：采用C3S发布的v4.2二级产品，时间跨度为2003年1月至2018年12月，空间分辨率为0.3°×0.3°。数据整合了SCIAMACHY（2003–2012）、GOSAT（2009–2018）和IASI（2008–2018）的观测结果。
     
   • 地基验证：使用TCCON合肥站点的甲烷柱浓度数据对卫星数据进行验证。匹配方法为：时间上选取卫星过境前后0.5小时，空间上选取站点周围0.3°范围内的卫星数据。验证结果显示，线性回归方程为y=0.81x+358.89，均方根误差（RMSE）为12.5 ppbv，表明C3S数据可靠性较高（图1）。
     

2. 时空分析方法

   • 空间分布：计算16年间中国区域甲烷浓度年均值，并绘制空间分布图（图2）。
     
   • 时间趋势：分析年际变化（2003–2018年）和季节变化（春、夏、秋、冬）。
     
   • 区域划分：将中国分为六大地理区域（东北、中南、华东、华北、西北、西南），比较各区域甲烷浓度差异（图7）。
     

3. 统计学与归因分析

   • 驱动因素：结合《中华人民共和国气候变化第二次两年更新报告》中的甲烷排放清单（能源活动44.2%、农业活动40.2%、废弃物处理11.9%），分析浓度高值区的成因（如水稻种植、能源开采、人口密度等）。
     
   • 滞后效应：考虑甲烷在大气中的停留时间（9.1年），探讨排放与浓度变化的时序关系。
     

四、主要研究结果

1. 空间分布特征

   • 东高西低格局：甲烷浓度高值区集中在湖南、湖北、广西等东南省份（年均>1825 ppbv），低值区位于青海、西藏等西部高原（年均<1775 ppbv）。四川东部因水稻种植和天然气开采出现局部高值（图2）。
     
   • 省份差异：重庆、湖南、安徽浓度最高（表1），西藏、青海最低。2003–2018年，广东、宁夏、江苏浓度增幅最大（约110 ppbv），西藏、青海增幅最小（约80 ppbv）。
     

2. 时间变化趋势

   • 年际增长：全国年均浓度从2003年的1757 ppbv增至2018年的1847 ppbv（图3a）。2003–2006年增长平缓，2007年后显著上升，与我国经济快速发展阶段吻合。
     
   • 季节波动：夏秋季浓度（1777–1781 ppbv）高于春冬季（1748–1757 ppbv），峰值出现在8–9月（1792 ppbv），谷值在3–4月（1742 ppbv）（图4）。
     

3. 区域对比分析

   • 六大区域差异：华东、中南地区浓度最高，西北、西南最低（图8）。西南地区季节振幅最大，华北地区出现8月和12月双峰值（图9）。
     
   • 特殊现象：西藏南部8–9月出现异常高值，可能与喜马拉雅山脉泥火山的甲烷释放有关（图6）。
     

五、结论与科学价值

1. 主要结论

   • 中国甲烷浓度呈东南高、西北低的分布特征，与水稻种植、能源活动和人口密度高度相关。
     
   • 2007年后浓度显著上升，反映人为排放（如煤炭开采、农业活动）的加速影响。
     
   • 季节变化受自然源（湿地、冻土）和人为源（供暖、水稻种植）共同驱动。
     

2. 研究价值

   • 科学意义：首次基于多源卫星数据系统揭示中国甲烷16年时空变化，填补了长期连续监测的空白。
     
   • 应用价值：为政府制定甲烷减排政策（如《甲烷排放控制行动方案》）提供数据支持，助力“双碳”目标实现。
     

六、研究亮点

1. 数据创新：整合SCIAMACHY、GOSAT、IASI三颗卫星数据，提升时空覆盖率和准确性。
   
2. 方法创新：结合TCCON地基验证，确保卫星反演结果的可靠性。
   
3. 发现创新：识别西藏泥火山对甲烷浓度的潜在贡献，为自然源研究提供新视角。
   

七、其他有价值内容

• 论文指出，未来需结合更高分辨率的卫星（如TROPOMI）和模型模拟，进一步量化不同排放源的贡献。
  
• 作者建议加强东部水稻种植区和西部能源开采区的甲烷监测，以优化减排策略。
  

以上报告系统梳理了该研究的背景、方法、结果与价值，可为相关领域研究者提供全面参考。