2010年至2023年洛杉矶盆地甲烷（CH4）排放源的变化趋势：基于空中测量数据

CH4减排趋势与烷烃排放源解析：基于2010-2023年航空及地面观测数据，研究发现洛杉矶盆地CH4排放年递减7.2 Gg，符合加州2030年减排40%目标。主要排放源为天然气管道（52-57%）和CH4主导源（41-47%），其中乙烷排放因天然气处理工艺变化而年增0.13 Gg，异戊烷因汽油蒸发控制技术改进年降0.45 Gg。研究结合CO排放清单和烷烃源丰度矩阵，验证了现有减排措施的有效性，并揭示了天然气价格波动对排放源结构的影响。

　　
洛杉矶盆地甲烷排放趋势与源解析研究（2010-2023）

一、研究背景与政策需求
全球甲烷（CH?）的温室效应强度是二氧化碳（CO?）的27-30倍，且具有10年左右的短期大气停留期，使其成为控制近地气温升的关键气体。加州作为全球最大CH?减排政策先行区，2013年立法要求至2030年实现CH?排放量较2013年基准下降40%。然而，传统底向上报排放数据常存在低估，特别是天然气（NG）管网泄漏等复杂源类。本研究通过2010、2019、2023三次航空 campaigns，结合地面观测数据，系统评估盆地CH?及C?–C?烷烃排放动态，为政策目标达成提供科学支撑。

二、方法体系与技术创新
研究采用混合观测方法：
1. **航空高分辨率监测**：搭载气相色谱仪、傅里叶变换光谱仪等12种实时监测设备，2010年（CalNex项目）、2019年（FIREX-AQ）、2023年（AEROMMA）三次夏季 campaigns飞行超200小时，覆盖盆地45%人口区域。飞行轨迹经地形匹配优化，重点捕捉海陆风循环下的污染物传输路径。
2. **地面观测校准**：依托Mt. Wilson Observatory（海拔1400米）连续13年CH?/CO比值监测，建立垂直通量校正模型。2010-2022年间完成437次 Flask样品采集，时空分辨率达0.5°×0.5°网格。
3. **源分馏技术突破**：创新性引入烷烃组分溯源，通过乙烷/CH?比值（Ethane/CH?）动态监测NG组分变化。构建包含7类源类的 alkane emission factor矩阵：
- NG管道（含本地渗漏）：乙烷/CH?=1.65%（2010均值）
- 油井局部泄漏：乙烷/CH?=3.2%（2010实测）
- 液化石油气（LPG）：丙烷/CH?=0.15%
- 车辆蒸发汽油：异戊烷/CH?=0.08%
- 生物源（垃圾填埋场/奶牛场）：C?–C?烷烃含量＜0.5%
4. **多源数据融合**：整合CARB CO排放清单（2017基准）、ODIAC CO?全球排放模型、EPA FLIGHT油井数据库等12类数据源，采用蒙特卡洛模拟量化不确定性（总误差范围±15%）。

三、核心研究发现
1. **CH?排放持续下降**
- 盆地总排放量：2010（303±63 Gg）、2019（196±39 Gg）、2023（210±42 Gg）
- 年均下降率：-7.2±5.8 Gg/年（p=0.11），与地面观测（-3.7±1.9 Gg/年，p=0.03）趋势一致
- 源解析显示：NG贡献52-57%，垃圾填埋场/奶牛场41-47%

2. **烷烃排放的动态特征**
- **乙烷**：年增0.13±0.19 Gg（p=0.25），2023占总烷烃排放32%
- NG管道贡献：2010占94%，2023达98%
- 价格驱动机制：乙烷/CH?比值与 ethane价格指数负相关（r2=0.78）
- **丙烷**：2010-2023年排放量稳定在15-18 Gg/年，主要来自LPG泄漏（占82%）
- **异戊烷**：年均下降0.45±0.16 Gg（p=0.002），其中：
- 蒸发汽油贡献：2010占76%，2023降至53%
- ORVR（车载油气回收系统）覆盖率从2010年32%提升至2023年89%

3. **关键减排驱动因素**
- **NG系统优化**：2010-2023年管道NG泄漏率从2.4%降至1.7%（基于SoCalGas用气量数据）
- **垃圾处理升级**： Puente Hills填埋场2013年关闭后，垃圾源CH?排放占比从2010年38%降至2023年29%
- **交通减排**：电动汽车渗透率从2010年1.2%增至2023年21.5%，汽油销量年降0.6%（2018-2022）

四、政策启示与实施路径
1. **NG基础设施管理**：需重点关注Aliso Canyon等储气库（占盆地NG排放量43%），建议实施：
- 智能压力监测系统（SPMS）全覆盖
- 漏损检测无人机巡检（建议密度≥2次/月）
- 渗漏量交易机制（参考欧盟NGMCM市场）

2. **垃圾处理设施改造**：
- 推广生物覆盖技术（Biocover）可使垃圾场CH?排放降低60%
- 建立填埋场甲烷火炬利用（CHFT）补贴机制
- 实施餐厨垃圾全流程监管（加州2025年目标）

3. **交通排放控制**：
- 加速NG动力公交（2023年运营量仅占0.7%）
- 推广LPG改装车辆（盆地现有LPG车存量约12万辆）
- 强化加油站ORVR设备检测（建议抽检率≥10%）

4. **监测体系升级**：
- 构建三维CH?排放网格模型（分辨率500m×500m）
- 部署激光甲烷传感器（LMS）在重点源区
- 建立排放因子动态更新机制（每2年修订）

五、未来研究方向
1. **源解析技术优化**：
- 引入机器学习算法（如随机森林）处理高维数据
- 开发烷烃指纹库（目标覆盖90%以上排放源）

2. **动态监测网络建设**：
- 部署100+个便携式CH?监测站（采样间隔≤1h）
- 构建无人机星座（续航≥8h，载荷≥5kg）

3. **政策效果评估**：
- 建立NG系统泄漏率与碳价关联模型
- 开发垃圾场甲烷减排效益核算工具包
- 设计交通排放因子情景分析框架

本研究首次实现洛杉矶盆地CH?排放"天空直接采样"与地面观测的时空耦合，其监测方法已被纳入CARB 2025版排放清单技术规范。研究证实，通过强化NG系统管理（年减排潜力1.2±0.3 Gg）和垃圾处理升级（年潜力0.8±0.2 Gg），加州有望提前3年达成2030减排目标。建议优先实施NG管道压力监测（预期年减排0.5 Gg）和垃圾场覆盖技术改造（年减排0.3 Gg），配合碳市场交易机制，形成多维度减排路径。