基于Sentinel-5P/TROPOMI的2019–2024年哈萨克斯坦大气甲烷时空趋势与热点分析

《Frontiers in Environmental Science》：Spatiotemporal analysis of atmospheric methane over Kazakhstan using Sentinel-5P satellite observations between 2019–2024

　　

甲烷（CH₄）是一种强效温室气体，其短期辐射强迫显著超过二氧化碳（CO₂），对哈萨克斯坦等油气生产密集型地区构成重大风险。本研究利用在Google Earth Engine中处理的Sentinel-5P TROPOMI数据，对2019–2024年哈萨克斯坦全国范围内的甲烷浓度进行了时空评估。分析综合运用了统计异常检测（98%和99%分位数法以及四分位距法）、Getis–Ord Gi*热点分析以及基于GIS的区域量化方法。结果表明，背景甲烷水平呈现明显的上升趋势，12月最大值从2019年的1881 ppb增至2024年的1931 ppb，年增幅具有统计学显著性，为8.23 ppb·年^?1（Mann–Kendall检验 p = 0.0085；95%置信区间：6.48–11.55 ppb·年^?1），并伴随以秋冬峰值为特征的显著季节性变化。对ERA5再分析资料的分析表明，这种季节性与气象条件密切相关——秋冬季节风速最低且边界层高度最浅，限制了近地面扩散，有利于甲烷积聚。持续且统计显著的 hotspots（热点）集中在西部和南部地区，主要是曼格斯套州和阿特劳州（石油和天然气排放）、突厥斯坦州（灌溉农业源）以及克孜勒奥尔达州（干涸咸海盆地的生物源排放），此外阿克托贝州还存在局地自然源。对基于分位数和IQR方法的比较表明，不同方法均能一致识别核心热点区域，但其空间范围和持续性随阈值严格程度而变化。这些发现为未来该区域环境状况分区、空气质量监测框架的改进以及观测基础设施有限的工业区风险评估提供了基础。

**研究背景与问题**

甲烷（CH₄）是辐射强迫显著高于二氧化碳的强效温室气体，其短期增温效应尤为突出。哈萨克斯坦作为重要油气生产国，油气基础设施遍布全国，同时存在农业、废弃物管理等行业来源的甲烷排放。尽管该国于2023年COP28上加入全球甲烷承诺，承诺到2030年较2020年水平削减30%的甲烷排放，但其国家排放清单仍存在高度不确定性，且往往低估实际排放量。传统地面监测网络虽精度高，但空间覆盖有限，难以捕捉偏远和偶发性排放事件；航空观测虽可提供临时高分辨率数据，但受后勤条件限制而无法实现连续覆盖。已有卫星研究多聚焦于个别超级排放事件或有限空间范围，缺乏对哈萨克斯坦全境甲烷动态的系统性区域分析。因此，开展基于卫星连续观测的全国尺度甲烷时空评估，对于理解排放动态和核查国际气候承诺进展具有重要意义。

**研究内容与主要发现**

研究人员利用Sentinel-5P TROPOMI传感器2019–2024年的Level-3甲烷柱浓度数据（XCH₄），在Google Earth Engine云平台中完成数据预处理和月度合成，综合运用百分位数法（98%和99%）、四分位距（IQR）法、Getis–Ord Gi*热点分析、Mann–Kendall趋势检验与Sen斜率估计，并结合ERA5再分析气象资料对哈萨克斯坦全境及17个行政区的甲烷时空特征进行了系统分析。研究发现，研究期间背景甲烷浓度呈显著上升趋势，12月最大值从2019年1881 ppb升至2024年1931 ppb，年增幅为8.23 ppb·年^?1（p = 0.0085）；季节上呈现秋冬高、春夏低的稳定周期。持久性热点集中于西部油气产区（曼格斯套州、阿特劳州）、南部农业与生物源区（突厥斯坦州、克孜勒奥尔达州）以及阿克托贝州的自然源区。该研究填补了哈萨克斯坦全国尺度甲烷时空系统分析的空白，为环境分区管理、空气质量监测优化及工业区风险评估提供了科学依据。

**关键技术与方法**

本研究的数据源为Copernicus Sentinel-5P卫星TROPOMI传感器的L3级CH₄产品（COPERNICUS/S5P/OFFL/L3_CH4），空间分辨率0.01°网格，时间范围为2019–2024年，共包含29,503景影像；气象辅助数据来自ERA5和ERA5-Land再分析产品（风速、边界层高度）。主要分析方法包括：（1）百分位数阈值法（P98、P99），计算逐年年平均栅格的98%和99%分位数作为异常阈值，统计各像元连续超阈值年数（0–6年）以识别持续性异常；（2）IQR法，采用Tukey上界规则（Q3 + 1.5×IQR）检测离群像元，并统计其持续年数；（3）Getis–Ord Gi*统计量，基于0.05°规则网格的年度最大月均CH₄浓度识别统计显著的冷热点（|z| > 1.96，p < 0.05）；（4）Mann–Kendall检验与Sen斜率估计长期趋势；（5）Jaccard指数量化不同方法间异常空间重叠程度。空间制图与区域面积统计在ArcGIS 10.8和Python（GeoPandas、Rasterio、Pandas）中完成。

**研究结果**

**3.1 污染物浓度的时空趋势**：研究人员计算了全国及17个行政区的月均CH₄浓度，发现2019–2024年期间背景浓度持续上升，最低值从2019年5月的1845 ppb升至2024年的1880 ppb以上；最高值从2019年10月的1881 ppb升至2024年12月的1931 ppb。区域尺度上，曼格斯套州浓度最高（2024年9月达1944 ppb），克孜勒奥尔达州、突厥斯坦州、阿特劳州和阿克托贝州亦呈显著增长。Mann–Kendall检验确认年均浓度呈显著上升趋势（Z = 2.63, τ = 1.00, p = 0.0085），Sen斜率为8.23 ppb·年^?1（95% CI: 6.48–11.55 ppb·年^?1）。

**3.2 甲烷浓度的季节空间分布**：季节分析表明，秋季平均浓度高于冬季，但12月为单月峰值最高的月份。ERA5气象分析显示，秋季平均风速全年最低（1.35 m/s），秋季和冬季边界层高度分别为509 m和301 m，远低于夏季的955 m，弱风与浅边界层的组合限制了垂向和水平扩散，是形成秋冬甲烷积聚的关键气象因素。

**3.3 基于百分位数法的甲烷异常空间分布**：P98方法显示，曼格斯套州和突厥斯坦州南部存在连续6年超阈值的最强持久性异常，阿克托贝和克孜勒奥尔达有局部类似区域；曼格斯套、克孜勒奥尔达、突厥斯坦、杰特苏和阿特劳州存在2–4年持续性超阈值区域。P99方法与P98空间格局基本一致，但异常范围缩小，表明核心异常区（曼格斯套里海沿岸、突厥斯坦南部、克孜勒奥尔达咸海区域）稳健，不受阈值选择影响。

**3.4 基于IQR法的甲烷异常空间分布**：IQR方法呈现更保守的异常分布。全国大部分地区无常值超限，北部和东部各州（科斯塔奈、北哈萨克斯坦、巴甫洛达尔、东哈萨克斯坦）异常为零星或缺失。最显著的3–5年持续异常区位于曼格斯套州，突厥斯坦州南部和克孜勒奥尔达有较小规模多年异常。Jaccard指数分析显示，随超阈值持续年数增加，P98与IQR的重叠从1年的0.94降至6年的0.02，P99则从0.73降至0.08；表明大多数甲烷异常是短期的，多年持续的排放源稀少且对检测方法敏感。

**3.5 基于Getis–Ord Gi*的热点分析**：2019–2020年热点呈镶嵌分布，2021年起空间结构趋于稳定，西南部和南部形成大规模热点区，北部和东部形成显著冷点区。区域面积统计显示，曼格斯套州年超标面积持续最大（2019年超192,000 km²，2024年超154,000 km²），克孜勒奥尔达、阿特劳、突厥斯坦和阿克托贝也有较大面积超标区，进一步印证排放源的空间集中性。

**讨论总结与结论**

讨论部分指出，西部油气产区（曼格斯套、阿特劳）的持久热点与油气开采、管道泄漏和伴生气燃除直接相关，与哈萨克斯坦国家温室气体清单中能源部门为主导排放源一致；南部生物源排放受灌溉农业和干涸咸海盆地厌氧环境驱动；气象条件（弱风、浅边界层）是秋冬峰值的重要控制因素。研究将哈萨克斯坦8.23 ppb·年^?1的增长率置于全球背景下，与亚洲季风区（约8.4 ppb·年^?1）、伊朗（2019–2024年上升约46 ppb）和阿拉伯半岛东南部（约9 ppb·年^?1）等地区趋势相当。研究同时指出局限性：TROPOMI浓度数据不能直接等同于排放通量，空间分辨率不足以解析小尺度点源，边境附近异常可能包含跨境输送影响，且缺乏哈萨克斯坦境内地面观测站验证。Sentinel-5P数据与此前研究中TCCON/NDACC地面FTIR测量的系统偏差约为?0.26% ± 0.56%，区域验证偏差为0.68% ± 0.64%（13.1 ± 12.2 ppb），支持了数据的可靠性。

研究结论为：Sentinel-5P/TROPOMI观测结合云平台处理和空间统计分析可有效实现哈萨克斯坦大气甲烷长期监测；2019–2024年背景甲烷浓度呈统计显著的持续上升趋势（Sen斜率8.23 ppb·年^?1；Mann–Kendall p = 0.0085）；油气产区是长期甲烷排放的主要贡献者，南部灌溉农业和生物源亦不可忽视；不同异常检测方法均能一致识别核心热点，但其空间范围随方法严格程度而异。该研究成果加深了对哈萨克斯坦甲烷动态的理解，为排放源评估、减缓规划以及未来结合地面验证和大气输运模型以区分本地与跨境贡献提供了科学基础。