印度地区 TROPOMI 反演甲烷的季节变化：人为源与土地利用控制的不同特征

《Science of The Total Environment》：Seasonal variability of TROPOMI-derived methane over India: Contrasting fingerprints of anthropogenic sources and land-use controls

　　

摘要
甲烷（CH?）是一种强效温室气体，其大气浓度迅速增加对近期气候强迫产生强烈影响。在印度，了解其空间变异性尤为重要，因为那里多样的人为活动与季风驱动的大气过程相互作用。本研究通过整合 TROPOMI 柱状观测数据与代表主要环境设置的空间数据集，进行了大气甲烷的地理空间评估，包括煤炭开采区、石油炼油厂、垃圾填埋场和市政垃圾堆放点、国家清洁空气计划（NCAP）下的城市、灌溉水利控制系统、以畜牧业为主的环境以及红树林生态系统。为了区分局部大气增强与区域背景变异性，采用了背景校正甲烷指标（ΔXCH?）。2019–2025 年的分析揭示了一致的季节循环，季风前时期大气甲烷浓度最低，季风后和冬季季节增强幅度最大。大气甲烷平均浓度每年增加 7.96 ± 0.57 ppb yr?1，略低于美国国家海洋和大气管理局（NOAA）报告的同期的全球甲烷增长率（约 9.9 ± 0.69 ppb yr?1）。与去季节化的 NOAA 北半球甲烷趋势的季节性比较显示，冬季（DJF）和季风前（MAM）期间吻合度高，西南季风（JJAS）期间增强程度适中，季风后（ON）季节大气甲烷显著更高，表明区域大气影响叠加在全球甲烷增加之上。垃圾填埋场和市政垃圾堆放点表现出最强且最持久的大气增强，而煤炭开采区和 NCAP 城市显示出中等但空间变化的特征。石油炼油厂环境保持在区域背景附近，以畜牧业为主的环境显示出弥散的大气行为，灌溉水利控制系统表现出特征性的季节响应，红树林生态系统通常保持在区域背景以下。使用 WDCGG 观测、EDGAR 排放清单、季节风气候学以及代表性 HYSPLIT 轨迹进行的独立评估表明，印度上空的大气甲烷受自然和人为甲烷源、土地利用系统以及大气传输的综合影响，而不仅仅是排放强度的影响。

引言
甲烷（CH?）是仅次于二氧化碳的第二大重要人为温室气体，由于其高全球变暖潜能值和相对较短的大气寿命，对地球辐射平衡产生不成比例的巨大影响。在 20 年的时间范围内，甲烷在截留热量方面的有效性几乎是二氧化碳的 80 倍，使其成为近期气候强迫的关键驱动力（IPCC, 2021; Saunois et al., 2020）。自前工业时代以来，大气甲烷浓度增加了近三倍，并在最近几十年迅速上升，2020–2022 年观察到创纪录的增长（Nisbet and Manning, 2026; Saunois et al., 2025）。这种加速趋势对实现《巴黎协定》的目标构成了重大挑战，突显了有效甲烷缓解的紧迫需求（Nisbet et al., 2020; Shindell et al., 2024; IMEO, 2025）。

甲烷排放包括自然和人为源，包括湿地、农业、畜牧业、化石燃料生产和废物管理。农业和畜牧业构成了发展中国家主要且通常相互关联的人为甲烷源，而化石燃料基础设施和废物行业代表具有重要缓解潜力的人为源（Bogner et al., 2008; Saunois et al., 2020; Pandey et al., 2019; Cusworth et al., 2021）。因此，了解它们的相对大气影响对于设计有效的部门特定缓解策略至关重要。

印度代表了世界上最复杂的大气环境之一，由于强烈的季风驱动大气环流、多样的土地利用系统以及迅速扩张的人为活动。以往的研究表明，季节性大气传输决定了大部分的时间变异性，而灌溉、土地利用、水文和城市化调节了大气甲烷的空间分布（Ganesan et al., 2017; Suthar et al., 2024）。集约化灌溉的水稻种植区创造了有利于甲烷生产的厌氧条件（Neue, 1993; Yan et al., 2009），而畜牧业、工业设施和废物行业的人为甲烷排放则表现出对比鲜明的空间特征和大气足迹。

哨兵 -5P 卫星上的轨平层监测仪（TROPOMI）大幅提高了以高空间和时间分辨率监测大气甲烷的能力（Hu et al., 2018; Lorente et al., 2021）。TROPOMI 测量甲烷的柱状干空气摩尔分数（XCH?），提供近全球的大气甲烷变异性观测，并使得在地面监测仍然稀少的地区（如印度）进行区域评估成为可能（Chandra et al., 2024; Mathew et al., 2026）。然而，柱状积分甲烷的解释仍然具有挑战性，因为观测到的大气信号反映了自然和人为甲烷排放、大气传输、背景变异性以及化学损耗过程的综合影响，而不是直接的地面排放（Jacob et al., 2016; Penn et al., 2025）。

在此背景下，本研究开发了一个综合地理空间框架，通过结合 TROPOMI 观测与主要人为和自然源系统的空间信息，来评估印度各地的大气甲烷变异性，包括煤炭开采区、石油炼油厂、垃圾填埋场、灌溉水利控制区、以畜牧业为主的环境、红树林生态系统和城市地区。该研究进一步纳入背景校正甲烷（ΔXCH?）、EDGAR 排放清单、独立的 WDCGG 观测、季节风气候学以及代表性 HYSPLIT 轨迹，以区分局部大气增强与区域传输效应。具体目标包括：(i) 量化不同甲烷产生环境的大气特征；(ii) 评估卫星观测与独立排放数据集之间的一致性；(iii) 开发一个物理上一致的框架，用于解释大气甲烷变异性并改进源归因。

章节片段
研究区域
印度从北纬 8°04′ 到 37°06′，东经 68°07′ 到 97°25′ 延伸，覆盖约 328 万平方公里，涵盖了多样的地貌、气候和生态设置（图 1）。该国包括北部的喜马拉雅地区、印度 - 恒河平原（IGP）、德干高原、西部的塔尔沙漠、广阔的海滨平原以及众多河流域，导致土地利用、水文和大气过程呈现出显著的空间异质性。气候受南方主导。

TROPOMI 甲烷数据
大气甲烷浓度源自哨兵 -5P 卫星上的轨平层监测仪（TROPOMI）。分析使用了甲烷的柱状干空气摩尔分数（XCH?），原生空间分辨率约为 7 × 7 平方公里，在 2019 年中仪器升级后改善至约 5.5 × 7 平方公里。使用 Google Earth Engine (GEE) 平台生成了 2019 年 1 月至 2025 年 12 月的月度甲烷合成数据。本研究采用了哨兵 -5P...

大气甲烷的季节性和空间变异性及土地利用控制
TROPOMI 衍生的印度大气甲烷（XCH?）的季节气候学（图 3）为后续分析提供了观测基础。在整个印度次大陆上都明显可见不同的季节变化，季风前（MAM）期间大气甲烷相对较低，西南季风（JJAS）开始后逐步增强，季风后（ON）期间出现广泛的最高浓度，整个冬季（DJF）甲烷持续升高。

大气甲烷变异性的综合
实施背景校正甲烷指标（ΔXCH?）提供了一个物理上一致的基础，用于在印度多样的自然和人为环境中区分局部大气甲烷增强与区域背景变异性。与反映表面排放和大尺度大气过程综合影响的柱状平均甲烷（XCH?）不同，ΔXCH? 在去除区域背景后隔离了局部大气增强。

政策启示
应用背景校正甲烷指标（ΔXCH?）提供了一个空间明确的基础，用于识别应优先考虑人为甲烷缓解努力的环境。因为 ΔXCH? 代表大气甲烷增强而不是直接排放通量，识别出的模式应被解释为与特定环境相关的大气甲烷变异性指标，而不是部门特定排放强度的直接估计。在...之中

结论
本研究通过整合 TROPOMI 观测与土地利用信息、主要灌溉控制区、人为源环境、EDGAR 排放清单、WDCGG 观测、季节风气候学以及代表性 HYSPLIT 轨迹，对印度上空大气甲烷变异性进行了基于过程的评估。背景校正甲烷指标（ΔXCH?）提供了一个一致的基础，用于区分局部大气增强与区域背景变异性，

局限性与未来范围
虽然本研究对印度各地的大气甲烷变异性提供了综合评估，但应承认几项局限性。首先，分析基于卫星衍生的柱状平均甲烷（XCH?），它代表集成大气信号而不是直接表面排放。因此，观测到的总大气甲烷反映了人为和自然排放、大气传输、边界层过程以及...的综合影响。

CRediT 作者贡献声明
Dibyendu Dutta: 写作 – 回顾与编辑，写作 – 初稿，可视化，验证，资源，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。

生成式 AI 及 AI 辅助技术声明
在准备本工作期间，作者使用 OpenAI 工具进行基于栅格的数据分析和语言润色。在使用此工具/服务后，作者根据需要回顾并编辑了内容，并对已发表文章的内容承担全部责任。

资助
本研究未收到任何资助。

竞争利益声明
作者声明他没有已知的可能影响本论文报告的竞争经济利益或个人关系。

致谢
作者衷心感谢欧洲空间局（ESA）和哥白尼计划提供哨兵 -5P TROPOMI 甲烷数据的访问权限。感谢 ISRO NRSC 开发的 India-WRIS 平台提供土地利用/土地覆盖和灌溉数据集。感谢印度政府中央污染控制委员会（CPCB）提供 NCAP 城市信息。感激地感谢 Google Earth Engine (GEE) 对基于云的地理空间数据处理的支持。

Dibyendu Dutta
印度空间研究组织，新 BEL 路，班加罗尔，560094，印度