《SCIENCE ADVANCES》：Quantifying urban and landfill methane emissions in the United States using TROPOMI satellite data
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本研究针对城市甲烷排放清单不准确、难以有效支持减排目标制定的问题，研究人员利用TROPOMI卫星观测数据，结合高分辨率大气反演方法，量化了美国12个主要城市及其填埋场的甲烷排放。研究发现城市排放总量比美国环保署清单（EPA GHGI）高出80%，填埋场是导致低估的主要原因，其平均气体收集效率（38%）远低于报告值。研究为精准评估和管控城市甲烷排放、优化填埋场管理提供了关键的卫星观测依据，具有重要的政策指导意义。
随着全球对气候变化问题的日益关注，作为第二大温室气体，甲烷因其强大的增温潜势而成为减排行动的关键目标。城市作为人类活动的集中区域，是甲烷排放的重要“贡献者”，其排放主要来源于天然气输配系统、生活垃圾填埋场、污水处理厂等。然而，当前各国（包括美国）普遍依赖基于活动数据的“自下而上”方法来编制国家温室气体排放清单，这种方法存在固有的不确定性，可能导致对实际排放量的严重误判。为了设定科学的减排目标并有效跟踪进展，我们亟需一种独立、客观的方法来“自上而下”地核查这些排放数据。那么，美国主要城市的真实甲烷排放情况究竟如何？官方的清单在哪些环节、哪些排放源上出现了显著偏差？这些问题，正是本项研究所要回答的核心。
为了精准回答上述问题，研究团队将目光投向了太空中的“天眼”——哨兵5号先导卫星（Sentinel-5P）上搭载的对流层监测仪（TropOMI）。这个强大的仪器能够以约7公里×5.5公里的分辨率每日观测全球大气中的甲烷柱浓度。研究人员创造性地运用了一种名为“集成甲烷反演”的高分辨率（12公里×12公里）大气反演框架。简单来说，他们以美国环保署的温室气体清单作为初始估计，然后利用TROPOMI在2022年观测到的大气甲烷浓度数据，通过复杂的化学传输模型进行反向推算，最终优化得到了12个美国主要城市区域更接近真实的甲烷排放量。这项研究不仅估算了城市总排放，还成功分离了不同排放源的贡献，并将焦点特别对准了单个大型生活垃圾填埋场，将其卫星反演结果与填埋场自行上报的数据进行了直接对比。相关研究成果已发表在顶级期刊《SCIENCE ADVANCES》上。
为开展此项研究，作者主要应用了以下几项关键技术方法：首先，利用了TROPOMI卫星提供的两种甲烷柱浓度数据产品，包括经过机器学习校正的TROPOMI与GOSAT卫星融合产品。其次，研究采用了高分辨率（约12公里）的GEOS-Chem化学传输模型来模拟甲烷的输送和扩散，建立排放与浓度观测之间的联系。最后，核心是应用基于贝叶斯理论的集成甲烷反演框架，以官方清单为“先验”估计，通过最小化模型模拟与卫星观测的差异，优化得到“后验”排放估计。研究区域涵盖基于美国人口普查局定义的纽约、洛杉矶等12个主要城市区域及其周边扩展范围。
研究结果
城市甲烷排放
研究发现，这12个城市区域的总甲烷排放量为每年180万吨（不确定性范围：160-200万吨），这比美国环保署温室气体清单的估计值（每年100万吨）高出80%。填埋场是最大的贡献源，占后验排放总量的62%，而下游天然气（输配和终端使用）占23%。不同城市间的差异巨大：休斯顿的排放量高达清单值的3.9倍，而洛杉矶和辛辛那提的排放量则比清单值低32%至37%。排放的空间分布显示，尽管纽约和洛杉矶人口最多，但其人均排放量却低于休斯顿、底特律、达拉斯和亚特兰大等城市。分析表明，人均排放量的差异主要受填埋场排放驱动，而下游天然气排放则与城市人口和天然气使用量相关性更强。
单个填埋场的排放
研究借助高分辨率反演的优势，进一步量化了53个大型城市填埋场（其中43个配有气体收集与控制系统）的排放。将卫星反演结果与这些填埋场根据温室气体报告计划上报的数据对比发现，对于除洛杉矶以外的填埋场，采用“回收优先法”计算的上报值平均比卫星观测值低3.7倍。气体收集效率是导致低估的关键参数。根据上报数据，这些填埋场报告的平均收集效率为70%（范围40-87%），但根据卫星观测的排放量反算，其实际平均收集效率仅为38%，范围宽达5%至90%。然而，洛杉矶的9个填埋场是一个显著的例外，其反算得到的平均收集效率高达85%，这与加州推行严格的填埋场气体收集与管控措施有关。研究指出，如果美国其他城市的填埋场能将收集效率提升至洛杉矶的水平，其甲烷排放量可减少至目前的四分之一。
研究结论与意义
本研究通过高分辨率卫星反演，首次在美国区域尺度上系统量化并揭示了城市甲烷排放被严重低估的现象，并将主要责任明确指向生活垃圾填埋场。主要结论包括：美国12个主要城市的甲烷排放总量较官方清单平均高出80%，填埋场排放是最主要的低估源；不同城市间排放差异显著，其中休斯顿最为严重，而洛杉矶因有效的填埋场管理，排放低于清单值；填埋场气体收集系统的实际效率远低于报告值，这是清单低估的核心技术原因，而洛杉矶的成功案例表明通过技术和管理改进大幅减排是可行的。
这项研究具有多重重要意义。在科学层面，它展示了新一代高分辨率卫星遥感数据与先进大气反演模型结合，在精细量化面源和分布式点源排放方面的强大能力，为温室气体“自上而下”核查提供了方法论范例。在应用与政策层面，研究直接挑战了现有国家排放清单的准确性，明确指出填埋场管理是城市甲烷减排最具潜力的环节。研究结果可为美国环保署修订填埋场气体收集效率默认值、各城市制定更有针对性的废物管理策略和甲烷减排目标提供坚实的观测依据。最终，这项工作为推动实现《全球甲烷承诺》等国际减排目标，以及评估城市尺度的气候行动进展，提供了至关重要的数据支持和科学洞察。
