《International Journal of Digital Earth》：Enabling a Digital Earth for methane emissions management with equal-area discrete global grids
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本综述系统阐述了利用rHEALPix离散全球网格系统（DGGS）构建阿尔伯塔省油气上游部门甲烷排放空间显式清单的创新方法。研究通过整合Petrinex设施活动数据与OGIM地理空间数据库，建立了等面积、层次化的多尺度分析框架，实现了排放量的精确空间分配与质量守恒聚合。该框架有效克服了传统经纬度网格在强度比较和跨尺度聚合中的局限性，为大气反演模型和减排政策制定提供了标准化空间基底。
摘要
本研究开发了基于rHEALPix离散全球网格系统（DGGS）的阿尔伯塔省上游石油和天然气部门空间显式甲烷排放清单。目标是展示一个等面积、层次感知的框架，将设施报告的排放量分配至原生位置，并支持多尺度分析和报告。研究编译了2020年至2023年Petrinex的月度设施活动数据，利用石油和天然气基础设施测绘（OGIM）数据库对设施进行地理定位，使用省级标准因子计算排放、燃料使用和燃烧产生的甲烷排放，并将结果分配到rHEALPix网格单元，最后精确聚合到更粗的层级。分析揭示了持续的高排放热点，其中5%的网格单元贡献了年总甲烷排放量的34%。等面积网格实现了跨纬度的公平强度比较、稳定的热点随时间追踪以及保持跨分辨率总量一致的质量守恒聚合。
引言
温室气体（GHGs）是气候变化的关键驱动因素，其捕获大气中的热量并改变全球气候系统。虽然CO2是最普遍的人为温室气体，但甲烷因其高增温潜势而显得尤为重要。在20年时间尺度上，甲烷的增温效应几乎是CO2的84倍，尽管其在大气中的寿命较短，但减缓其排放迫在眉睫。在加拿大，石油和天然气部门是最大的人为甲烷排放源，尤其是在阿尔伯塔省、不列颠哥伦比亚省和萨斯喀彻温省。根据加拿大能源监管机构（CER）的数据，仅阿尔伯塔省就占加拿大原油产量的84%和天然气产量的61%，使其成为减排工作的中心。国家清单，包括国家清单报告（NIR）和温室气体报告计划（GHGRP），提供了结构化的估算。然而，从大气反演到针对性检查等许多应用需要空间显式的表征，这是国家总量无法提供的。
为了满足这一需求，网格化甲烷排放清单已成为研究和政策的基础输入。广泛使用的全球和大陆尺度产品，例如全球大气研究排放数据库（EDGAR）、全球燃料开发清单（GFEI）、温室气体和空气污染相互作用与协同效应模型（GAINS）以及哥白尼大气监测服务区域排放清单（CAMS-REG），提供了支持大气反演、帮助解释观测与模型差异并为减缓规划提供信息的空间化排放数据。此外，还存在国家和地方的网格化清单，例如美国、加拿大、墨西哥、加利福尼亚州、巴奈特页岩、二叠纪盆地和纽约州。
然而，两个持续存在的局限性影响了它们的可解释性和重用性。首先，大多数产品分布在纬度-经度网格上，其网格单元面积随纬度变化，使强度制图和尺度一致性聚合复杂化。其次，空间化通常依赖于代理（例如土地利用或基础设施密度）来分配活动数据，使得结果对代理选择和基本假设敏感。这些问题可能传播到下游建模和决策支持中，特别是在高纬度地区和异质性生产盆地。本研究展示了离散全球网格系统（DGGS）在构建阿尔伯塔省上游石油和天然气部门空间显式甲烷排放清单中的应用，以取代传统的基于经纬度的网格。DGGS将地球表面划分为等面积的单元，确保一致的空间分辨率。一个关键优势是它能够消除空间偏差，实现准确的排放分析和直接的单元间比较。DGGS还避免了内容在显示时的视觉变形，无论数据如何呈现或用于显示的投影如何。其层次结构允许跨分辨率的无缝聚合，支持多尺度报告。本研究使用重排的层次等面积等纬度像素化（rHEALPix）DGGS。它还通过将甲烷数据直接在原生分辨率分配，避免了可能错放排放的分解方法，从而保留了空间准确性并最小化了分配误差。将DGGS整合到温室气体监测工作流程中符合数字地球的愿景，即全球地理空间基础设施是标准化、可扩展和可互操作的。
背景与相关工作
网格化甲烷排放清单
在网格化甲烷排放清单概述方面，已经付出了大量努力来开发全球、国家和地方尺度的网格化甲烷排放清单，以改进空间显式估算。存在几个全球和大陆尺度的清单，例如EDGAR、GFEI、GAINS和CAMS-REG。EDGAR应用IPCC指南和空间代理，如土地利用和工业活动数据，将国家总量分配到0.1°×0.1°网格上。GFEI专注于化石燃料开发，并通过纳入国家报告和设施级生产数据来提高其分辨率。GAINS基于综合能源、农业和废物部门建模，为所有主要温室气体提供一致的、政策导向的排放估算。CAMS-REG为欧洲提供了一个网格化清单，结合了报告的国家总量和更新的空间代理及部门细化，以0.1°分辨率生成年度排放。在国家尺度，清单主要是通过使用空间代理分解总量来开发的。例如，美国基于环境保护署（EPA）设施数据开发了清单，而Omara等人引入了整合经验测量的概率模型以减少不确定性。在加拿大，Scarpelli等人将2018年NIR甲烷排放映射到0.1°×0.1°网格上，并使用GHGRP的设施级数据细化了石油和天然气部门的估算。其他国家尺度的网格化清单存在于墨西哥、澳大利亚、瑞士和中国。地方网格化甲烷排放清单已为纽约州、加利福尼亚州、巴奈特页岩和二叠纪盆地开发。
在网格化甲烷排放清单的应用场景方面，它们对于大气反演建模至关重要，通过比较模拟排放与观测值来改进自下而上的估算。它们提供了初始的空间和部门分布，防止过度拟合，并支持解释模拟和观测浓度之间的差异。先前的研究已经证明了它们的重要性。除了建模，空间显式清单支持本地评估，能够与自上而下的测量进行比较，并有助于减缓规划。自上而下的测量包括飞机通量测绘、卫星柱状检索（例如TROPOMI和GHGSat）以及基于地面的移动或通量塔观测，这些通常用于评估或约束自下而上的估算。
关于现有网格化甲烷排放清单的局限性，大多数现有网格化清单依赖于基于经纬度的网格，这引入了一些限制。一个主要问题是由于地球曲率导致的跨纬度分辨率不一致。这扭曲了排放强度的可视化，并使单元间比较复杂化，尤其是在高纬度地区。赤道处的网格大致面积相等，但更北的网格显著缩小，在标准投影中夸大了排放密度。基于经纬度的网格中，每单位面积的排放强度不容易计算，因为网格单元大小不同。与等面积网格不同，在等面积网格中排放强度可以直接跨单元比较，经纬度网格需要额外的计算来按面积归一化排放。一些网格化清单将值报告为排放通量，表示每单位面积的甲烷强度，并在其发布的数据集中包含每个网格单元的面积。虽然网格面积的额外维度提供了背景信息，但它并不能完全解决问题，因为跨纬度移动时，直接的网格间比较变得困难。此外，当使用标准地图投影可视化时，大小差异可能误导评估，使排放出现在网格单元较小的区域显得更集中。这可能对大气建模和排放减缓的定性和定量分析导致误解。
此外，虽然方法各异，但大多数清单依赖于空间代理来分配排放，这些代理的准确性显著影响最终数据集。当在
