基于TROPOMI卫星数据，利用综合解释框架研究中国鄂尔多斯盆地大气中XCH4的时空分布模式及其驱动因素

《Remote Sensing Applications: Society and Environment》：Investigating the Spatiotemporal Patterns and Driving Factors of Atmospheric XCH4Based on TROPOMI Satellite Data in the Ordos Basin (China) Using an Integrated Interpretable Framework

　　何思瑞|王云鹏
中国科学院广州地球化学研究所深部地球过程与资源国家重点实验室，广州510640，中国

**摘要**
甲烷（CH4）是仅次于二氧化碳（CO2）的第二大温室气体，在气候强迫中起着关键作用。在区域尺度上，其变化受到排放、环境条件和大气传输之间复杂相互作用的影响，导致显著的空间异质性，这种异质性目前仍难以用统一的方式解释。本研究聚焦于这种复杂性，利用2019年1月至2023年2月期间Sentinel-5P卫星的XCH4观测数据，在一个综合分析框架内探讨了中国鄂尔多斯盆地大气甲烷的时空变化及其驱动机制。甲烷浓度呈现出持续上升的趋势，并具有稳定的季节性周期，夏季至秋季的浓度高于冬季至春季。从空间上看，持续的高浓度热点主要集中在东部能源生产区，而中西部的高浓度热点则反映了在环境汇能力受限条件下的排放累积；低浓度热点与植被吸收和大气扩散增强有关。甲烷的变化受到人为排放与环境调节之间非线性及空间异质性相互作用的共同控制，其中温度和能源相关活动主导了甲烷浓度的增加，而植被、降水和土壤湿度则具有缓解作用，但这些作用存在阈值效应。本研究开发了一个以机制为导向的分析框架，有助于全面理解在异质环境条件下甲烷的变化，这与中国的双碳目标和《巴黎气候协定》相一致。

**引言**
大气甲烷（CH4）作为仅次于二氧化碳（CO2）的第二大温室气体，由于其高辐射强迫潜力，在全球气候变化中起着关键作用。其100年内的全球变暖潜力约为CO2的28-30倍，目前观测到的全球变暖现象中有近30%是由甲烷造成的（国际能源署，2023年；政府间气候变化专门委员会，2023年）。自工业革命以来，全球大气中的甲烷浓度增加了一倍多，从约700 ppb上升到近1900 ppb，增长速度超过了其他主要温室气体（Saunois等人，2025年）。这种快速增加主要是由于化石燃料开采等人为活动的加剧，对实现《巴黎协定》目标构成了重大挑战。鉴于甲烷在大气中的寿命相对较短（约12年），减少甲烷排放已被广泛认为是减缓近期气候变暖的有效策略。

大气甲烷变化的驱动机制非常复杂。全球范围内，甲烷排放大致可分为自然源和人为源。自然源约占总排放量的40%，主要来自湿地；人为源约占60%，包括能源生产、农业、畜牧业和废物管理（Saunois等人，2025年；张等人，2023年；Poulter等人，2017年）。例如，2022年全球与能源相关的甲烷排放量（包括化石燃料勘探、生产、运输和加工过程中的排放）达到了约135 Tg，占总排放量的37.9%，并且呈持续上升趋势，成为大气甲烷浓度增加的主要贡献者（国际能源署，2022年）。就汇而言，大气中的甲烷主要通过对流层中的羟基自由基（OH）氧化去除，土壤吸收和平流层氧化也对其去除有所贡献。除了源-汇过程外，气象条件（如温度、降水、土壤湿度和风场）和地形特征共同调节甲烷排放、大气传输和扩散。这些因素相互作用，控制着大气甲烷的重新分布，并最终形成了其显著的空间异质性（Luo等人，2023年；Wei等人，2025年；Bussmann等人，2024年；Vieira dos Santos等人，2023年）。

准确描述甲烷的时空分布对于识别排放热点和揭示其背后的驱动机制至关重要。大气甲烷观测主要通过现场测量和卫星遥感获得。虽然地面网络如全球大气观测网（GAW）和总碳柱观测网（TCCON）提供了高精度的长期观测数据，但其空间覆盖范围有限。相比之下，包括SCIAMACHY、GOSAT以及特别是Sentinel-5P/TROPOMI在内的空间传感器实现了大范围和高分辨率的大气甲烷监测。TROPOMI在2019年后空间分辨率提高到5.5 × 7 km，并具备每日重访能力，已成为区域甲烷研究的关键数据来源（No?l等人，1998年；Schepers等人，2012年；Jacob等人，2022年）。随着卫星观测数据的日益丰富，近期研究越来越多地关注区域甲烷动态，以更好地理解其时空模式和驱动机制。化学传输模型（CTMs）被广泛用于模拟这些过程；然而，它们在区域尺度上的应用受到分辨率粗糙、嵌套不确定性和高计算成本的限制（Zhang，2011年；Nisbet等人，2023年；Lauvaux等人，2022年）。与基于反演的方法相比，基于卫星衍生甲烷浓度并结合统计分析方法的研究为描述时空模式及其与排放部门和环境因素的关系提供了有效的替代方案。时间序列聚类（Song等人，2023年）、空间自相关分析（Song等人，2023年）、时空地理统计学（Li等人，2022年）、地理加权回归（GWR）（Yan等人，2024年；Liu等人，2024年）和随机森林模型（Ai等人，2024年；Guo等人，2024年）等方法已在区域甲烷研究中得到广泛应用。这些方法能够实现甲烷变化的高分辨率分析，并有助于识别关键驱动因素，揭示大气甲烷分布中的显著季节性周期和显著的空间异质性。然而，在捕捉复杂驱动机制方面仍存在局限性。传统的空间回归模型通常基于线性假设，难以表示非线性响应和阈值效应。相比之下，尽管机器学习模型具有强大的非线性拟合能力，但缺乏对空间异质性和机制可解释性的明确表示。这突显了需要一个综合分析框架，能够同时考虑空间异质性、非线性关系和多因素相互作用。

准确描述大气甲烷的时空变化及其驱动机制对于支持有针对性的减排和精细的环境管理至关重要。鄂尔多斯盆地作为中国的主要能源生产区，由于其密集的化石燃料活动和复杂的环境条件，是研究区域甲烷动态的理想案例（Liu等人，2023年；Zou等人，2024年）。具体而言，本研究旨在：（1）描述鄂尔多斯盆地大气甲烷的时空变化；（2）识别多个空间尺度上的主要驱动因素；（3）阐明甲烷热点和低浓度热点的非线性相互作用和局部形成机制。为了实现这些目标，本研究开发了一个综合且可解释的分析框架，结合了时间分解、空间统计分析和可解释的机器学习。该框架建立了一个以机制为导向的分析链，将热点和低浓度热点的识别、基于浓度-排放关系的排放源归因、通过MGWR量化的空间异质性环境控制以及使用RFR–SHAP分析的非线性相互作用解释联系起来，从而全面理解在空间异质性条件下的甲烷变化及其驱动机制。

**研究区域**
鄂尔多斯盆地位于中国西北部，范围大约从东经106°17′到111°54′，北纬34°34′到40°35′。研究区域边界是根据中国科学院地质力学研究所提供的鄂尔多斯盆地及其邻近地区结构系统图（1:1,000,000）划定的（产品ID：42702020120220621636570759397000，https://geocloud.cgs.gov.cn/）。从结构上看，该盆地包含六个主要构造单元：伊蒙...

**卫星衍生甲烷数据的验证**
为了评估卫星衍生甲烷浓度的可靠性，使用了来自两个独立监测网络的地面观测数据：WDCGG的Waliguan站（WLG；东经100°54′，北纬36°17′）和TCCON的Xianghe站（XH；东经116°57′，北纬39°48′）。TCCON网络使用地面傅里叶变换红外（FTIR）光谱技术获取甲烷（XCH4）的柱平均干空气摩尔分数，这在物理上与卫星反演结果一致（Sha...）

**大气甲烷的年际趋势**
2019年至2022年间，鄂尔多斯盆地的大气甲烷柱浓度持续上升，反映了区域背景甲烷水平的逐渐增加，与全球上升趋势一致。这一增加主要与该地区加剧的人为活动有关，特别是煤炭开采、天然气传输及相关工业过程。农业和畜牧业排放也可能对观测到的甲烷浓度增加有所贡献。

**结论**
本研究通过将时间动态、空间模式和潜在驱动机制联系起来，提供了关于鄂尔多斯盆地大气甲烷（XCH4）变化的综合视角。结果表明，甲烷变化受到排放、环境条件和大气传输过程的共同控制，热点和低浓度热点的分布反映了这些相互作用的综合结果。

**作者贡献声明**
何思瑞：撰写——原始草稿、验证、方法论、调查、正式分析、数据管理。
王云鹏：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。

**未引用的参考文献**
IPCC等人，2023年；Parker等人，2020年；Yao等人，2024年。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

**数据可用性**
数据可应要求提供。

**伦理声明**
本文不包含任何作者参与的人类参与者研究。

**致谢**
作者感谢TROPOMI科学团队提供XCH4数据。本研究得到了“地球多圈层相互作用下碳氢化合物富集理论项目”（THEMSIE04010104）和中国国家自然科学基金（项目编号42203002和U1901215）的支持。