国家甲烷排放清单与现场测量方法对比

背景介绍

甲烷(CH₄)是一种强效温室气体，其大气生命期为9年，是二氧化碳100年全球变暖潜能值的28倍。2021年的年增长率达到17 ppb，这是自1983年开始直接测量以来的最大增长率。与二氧化碳相比，甲烷的寿命短，辐射强迫强，这使其成为减缓气候变化行动组合中的关键目标。然而，由于人为和自然源和汇的多样性、异质性和可变性，在所有尺度上对CH₄源/汇的量化仍然存在较大不确定性。

人为甲烷排放清单是根据活动数据和排放因子编制的。其他关于生物源通量的自下而上方法可能依赖于所有相关尺度上排放过程的数值模拟，通常用于诸如湿地模式等生物源过程。无论是从太空还是从长期网络和移动平台进行的现场大气测量，都可以提供有关从地方到全球尺度自下而上排放的宝贵见解。在大尺度上，反演模型使用大气测量来校正甲烷排放清单。这些自上而下的方法已被应用于优化全球、大陆或国家尺度的排放估算。与自下而上的国家排放清单相比，欧洲、美国、加拿大和墨西哥使用逆模型估算的人为甲烷国家总排放量分别高出约20%-40%、40%、30%和20%。

在局部/区域尺度上，自上而下(TD)和自下而上(BU)的估计之间同样存在很大的差异。例如，旧金山湾区基于空气的CH₄计算排放量大约是区域尺度清单给出的相应值的两倍。Vechi等人(2022)报告说，与自上而下的方法相比，自下而上的清单低估了丹麦养牛场全国甲烷排放量的35%。因此，有必要更好地了解这些差异，以提高两种方法估算甲烷排放的可信度。

研究简介
本文在塞浦路斯进行了移动CH₄测量(一年内24个调查日)，塞浦路斯是地中海东部一个面积9251平方公里、人口120万的岛国。塞浦路斯提供了一个非常相关的框架来解决自下而上与自上而下的差异：它位于新兴的温室气体排放热点，它只有两个主要部门排放甲烷(农业和废弃物)，其合理的表面积使得可以用移动平台监测大部分国家甲烷排放。根据塞浦路斯向联合国气候变化框架公约(UNFCCC)提交的2022年国家清单报告(NIR)，在塞浦路斯，57%的甲烷排放来自废弃物，41%来自农业活动。选取具有代表性的地方CH₄排放热点Koshi(活跃填埋场)、Kotsiatis(封闭填埋场)和Aradippou地区(养牛场)，约占全国CH₄排放量的28%左右。我们使用高斯羽流模型量化了这些热点的排放率。这项综合研究旨在弥合自上而下和自下而上方法之间的差距，并提高我们对塞浦路斯全国范围内甲烷排放的了解。

材料与方法

图1. 移动测量系统的组成部分，(a)是车内设置，(b)是车外设置；

2020年10月至2021年9月期间进行了24次移动调查(24天)。采用Picarro公司G2401测量CH₄，仪器每月使用WMO X2004标度进行校准，测量CH₄的精度为0.7 ppb。该仪器安装在一辆热发动机车辆上，车顶上装备有GPS装置(NEO-M8N-0-10 U-Blox)和声速风速计(150WX RS232气象站仪器)。此外，进风口被安装到车顶，靠近风速计(离地面约190cm)。车内设置了实时充电系统，允许电池在行驶时充电，这使得仪器可以进行长时间的观测。所有记录的数据都是实时可见的。数据日志记录了每个测量日空气从进气道到分析仪的时间延迟。

测量方案和数据搜集

移动监测在正午前后进行，此时空气在行星边界层中混合良好。每个实地工作日都调查了三个选定的地点。只要在监测屏幕上看到CH₄排放羽流，在交通条件允许的情况下，以20-30 km h⁻¹的行驶速度跟踪3-5个重复的样带，用于研究CH₄浓度的逐渐变化。在高斯羽流峰形状表征过程中，该速度范围已被确定为最佳。一般来说，每次调查的持续时间为6-7小时。每次调查中测量的甲烷摩尔分数的第二个百分位数被选为计算所有样带排放率的每日背景值。下图显示了这三个热点的地理位置以及每个站点一天的调查路径示例(站点之间约15公里)。

图2. 调查地区(Koshi, Kotsiatis和Aradippou)的位置和图片以及每个站点一天的调查路径示例。

数据解读

本文选取了一个活跃填埋场、一个关闭填埋场和一个集约化养牛区作为主要调查区域，设计了反复的横断线路，测量下风甲烷浓度，拟合高斯模型获得排放率。结果显示，填埋场和养牛厂来源的甲烷排放率比国家清单的估计值分别高出129%和40%。

表1. 汇总了在不同季节、不同测量日期获得的甲烷排放率估算结果。这些排放率是基于高斯烟羽模型与现场观测值的拟合结果计算得到的。

图3. 展示了三个调查区域不同季节的甲烷排放率。数据来源是作者基于现场移动监测获得的结果。这表明了季节变化对结果的影响较小。

图4. 对比了本文移动监测结果与国家清单的数据。国家清单的数据来源于塞浦路斯提交给IPCC的最新国家温室气体排放清单。

上图直观对比了移动监测获得的三大排放区的排放总量与国家清单的数据，清晰反映了两个数据源在温室气体排放估算上的差异。可以看到填埋场甲烷排放量监测值较大,而养牛区源排放量监测值也略高。这与文章结论中移动监测结果高于国家清单估算值的结论一致。上图能够直接而有效地支持文章的研究结论，反映了监测与清单间的差异。

研究结论

这种针对国家重点排放区的移动测量可以独立评估清单数据，有助于提高国家排放统计的准确性。作者在塞浦路斯通过为期一年的移动监测，评估了主要的甲烷排放区。填埋场的监测排放量比国家清单高出129%，牛场的监测排放量高出国家清单40%。移动监测可以独立评估国家温室气体排放清单的准确性，这种方法可用于改进排放清单编制，为减排决策提供支持。