《Atmospheric Environment: X》：Identification of Natural Gas Leak Sources Using Ethane/Methane Ratios and Methane Isotopic Signatures
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为准确识别大气中甲烷（CH4）排放源，以应对气候变化及编制准确的排放清单，研究人员在北方和东南地区三座压气站利用车载移动平台，同步测量了CH4、乙烷（C2H6）及其稳定碳同位素组成（δ13C-CH4），获取了本地化的ΔC2H6/ΔCH4比值与δ13C-CH4特征值，并在周边区域开展移动勘测。结果显示，不同地区气源特征存在差异，在道路网络中识别出多起天然气泄漏事件，揭示了小规模泄漏（<4 L/min）是主导。该研究强调了联合使用ΔC2H6/ΔCH4与δ13C-CH4的双示踪剂方法对于可靠识别和量化与天然气相关的CH4源具有重要实践意义。
大气中甲烷（CH4）的浓度自工业革命以来快速增长，如今已成为仅次于二氧化碳（CO2）的第二大温室气体。尽管其在大气中的寿命相对较短，但其全球增温潜势在20年和100年尺度上分别是CO2的82.5倍和29.8倍，这意味着减少甲烷排放能够在短期内带来不成比例的巨大气候效益。然而，准确识别大气中甲烷的来源并非易事。油气行业被认为是全球人为甲烷排放的主要来源之一，近年来大量实地观测研究表明，该行业的排放常常被低估，部分原因是未能充分捕捉“超级排放源”。中国正在推行“煤改气”政策，天然气消费量预计将持续增长，因此，来自天然气供应链的甲烷排放未来可能继续增加。为了有效管理和减排，必须能够精确识别和量化这些排放源，特别是分散在广阔管网和城市道路网络中的泄漏点。
传统的甲烷来源识别方法面临挑战，因为不同排放源的甲烷在化学性质上相似。为了破解这个难题，科学家们找到了两种有力的“指纹”工具：一种是甲烷与乙烷（C2H6）的浓度增强比值（ΔC2H6/ΔCH4），另一种是甲烷的稳定碳同位素组成（δ13C-CH4）。生物来源（如湿地、农业）的甲烷通常几乎不含乙烷，而热成因的天然气则同时含有甲烷和乙烷。同样，不同来源产生的甲烷，其碳同位素“轻重”（δ13C值）也有所不同。单独使用任何一种方法都可能因环境背景值的干扰而产生不确定性，但将两种“指纹”结合使用，则可以大大提高来源解析的可靠性。车载移动观测平台因其高机动性和灵活性，已成为在城市和街道尺度识别甲烷排放源的重要工具。然而，针对中国天然气行业的本地化排放源特征数据仍然缺乏，这限制了对城市地区天然气泄漏源的精准排查和排放清单的准确编制。本研究正是为了填补这一信息空白而展开。
研究人员开展了一项创新的实地研究。他们首先在位于中国北方的两座压气站和东南地区的一座储气库压气站进行了移动测量，目的是获取这些站点所处理天然气的本地化ΔC2H6/ΔCH4比值和δ13C-CH4同位素特征值。在获得这些“源特征指纹”后，他们又驾驶装备了精密仪器的观测车，在压气站周边的城市、郊区和储气田区域的道路网络中开展了大范围的移动勘测，利用获得的特征值来识别和量化可能与天然气相关的甲烷排放源。
关键的技术方法包括：
- 1.
移动观测平台：使用一辆轻型货车搭载高精度仪器，包括用于测量CH4、CO、CO2干摩尔分数的Picarro G2401分析仪，以及用于测量CH4、C2H6和δ13C-CH4的Picarro G2210-i同位素分析仪，二者均基于连续波腔衰荡光谱（cw-CRDS）技术。采样入口位于车顶，同时配备了高精度气象传感器和厘米级定位导航系统。
- 2.
数据与来源解析方法：首先通过识别CH4浓度超过本地背景值的“烟羽”来提取排放事件数据。通过回归分析（使用RMA方法）计算每个烟羽的ΔC2H6/ΔCH4比值。利用基林图（Keeling plot）和米勒-坦斯（Miller-Tans）方法，从同位素数据中推导出排放源的δ13C-CH4特征值。通过分析ΔCO/ΔCH4和ΔCO2/ΔCH4比值来筛查和排除机动车燃烧等干扰源。
- 3.
排放率估算与空间成图：对识别出的天然气相关源，利用经验公式根据观测到的CH4最大浓度增强值估算其排放率。通过将计算出的天然气贡献百分比进行克里金（Kriging）空间插值，生成研究区域内天然气对甲烷浓度贡献的空间分布图。
研究结果
3.1. 压气站甲烷的一般特征
在三座压气站的测量中，共捕获了大量甲烷浓度峰值。分析显示，甲烷与CO2、CO的相关性很弱，表明测量期间没有受到燃烧排放源（如天然气车辆）的明显干扰。对提取的烟羽数据进行回归分析后，得到了各站点的ΔC2H6/ΔCH4特征比值：位于北方的1号站和2号站比值非常接近，分别为0.059和0.056；而位于东南的3号站比值显著更低，为0.022。这反映了不同地区天然气气源组成的差异，北方两站可能接收相同的进口天然气，而东南一站则处理国内和进口的混合气源。
3.2. 不同地区压气站的同位素特征
通过米勒-坦斯方法对同位素数据进行分析，得到了三座压气站的δ13C-CH4特征值。1号站、2号站和3号站的值分别为-40.59‰、-40.93‰和-39.34‰。北方两站的同位素特征非常一致，而3号站的值相对更高（即13C匮乏程度更低），所有值均落在典型的热成因天然气甲烷范围内，但比中国东南沿海城市燃气管网泄漏报告的特征值更低。
3.3. 区域移动勘测
在1号站周边区域（勘测北方）和3号站周边区域（勘测东南）的移动勘测中，分别行驶了527公里和350公里。在1号站周边共探测到25个甲烷泄漏源，在3号站周边探测到9个。两地背景空气的δ13C-CH4值存在差异，北方区域背景值更低，可能受到当地农业和畜牧业生物源排放的影响。
3.4. 将甲烷烟羽归因于不同来源
通过对探测到的甲烷泄漏源进行严格的筛选和双重“指纹”（ΔC2H6/ΔCH4比值和δ13C-CH4）分析，成功对排放源进行了分类。在1号站周边的勘测中，满足分析条件的17个源里，有8个被明确归因为天然气泄漏，4个为机动车排放源，另有2个生物源和1个燃烧源。天然气和疑似天然气源占探测到源数的58.9%。在3号站周边的勘测中，9个有效源里包括4个天然气源、1个机动车源和1个生物源，天然气和疑似天然气源占比66.7%。研究特别指出，额外使用ΔCO/ΔCH4和ΔCO2/ΔCH4比值能有效区分机动车燃烧烟羽，防止将其误判为气体泄漏，从而提高了源解析的准确性。估算的天然气泄漏排放率范围很广，在北方区域从0.77到101.69 L/min，在东南区域从0.38到26.78 L/min，但两地均以小规模泄漏事件（<4 L/min）为主。空间插值图进一步揭示了天然气源对周边道路网络甲烷浓度的潜在空间影响范围。
研究结论与重要意义
本研究证明，车载移动测量平台能够有效获取压气站的本地化ΔC2H6/ΔCH4比值和δ13C-CH4同位素特征，并成功应用于野外移动勘测中的甲烷源解析。将协同排放示踪剂（C2H6、CO2、CO）分析与同位素分析相结合，提供了一个全面的框架，能够在现实世界的混合源条件下，有效区分热成因天然气泄漏、机动车燃烧排放和生物源排放。
研究发现，中国北方与东南地区天然气气源存在明显的地域差异，这体现为ΔC2H6/ΔCH4比值和δ13C-CH4特征值的不同。在周边区域的勘测中，大部分被识别和解析的排放源可归因于天然气泄漏，且小规模泄漏占主导地位。这项研究的重要意义在于：首先，它提供了一种可靠且实用的“双示踪剂”移动观测方法，为在道路网络尺度上识别和量化分散的天然气泄漏源提供了有力工具。其次，研究获得的本地化特征值为中国天然气甲烷排放清单的编制提供了关键的约束因子，有助于降低清单的不确定性。最后，该方法通过结合多种示踪剂，特别是利用ΔCO/ΔCH4比值筛查机动车干扰，提高了源解析的精度，避免了高估天然气泄漏的贡献。该论文发表于《Atmospheric Environment: X》，其成果强调了未来需要在中国更广泛地区开展类似的本地化测量，利用移动观测平台的便携性，为甲烷排放清单提供更多稳健的约束数据，从而更好地支持中国的甲烷减排行动和气候变化应对。
