一种基于数据的评估方法，利用遥感数据将对流层甲烷浓度与地表生物物理因素联系起来

《Remote Sensing Applications: Society and Environment》：A data driven assessment to link tropospheric methane concentration and surface biophysical factors using remotely sensed data

基于Sentinel-5P TROPOMI数据分析了2019-2023年奥里萨邦对流层甲烷浓度与生物物理参数的关联，发现地表温度（LST）和建设用地指数（NDBI）与CH4浓度呈显著负相关，植被指数（NDVI）和水指数（NDWI-I）则呈正相关，各指数与CH4浓度相关系数均超过0.90，构建的逐步回归模型可解释72%以上的浓度变异。

　　

苏迪普塔·曼纳（Sudipta Manna）| 阿尔加·戈什（Argha Ghosh）| 阿基莱什·库马尔·古普塔（Akhilesh Kumar Gupta）| 阿尔纳布·曼达尔（Arnab Mandal）| 阿拉亚·库马尔·比斯瓦莫汉·莫哈帕特拉（Araya Kumar Biswamohan Mohapatra）| 阿玛雷什·昆蒂亚（Amaresh Khuntia）

奥里萨农业大学与技术学院农业气象学系，布巴内斯瓦尔-751 003，印度

摘要

为了理解甲烷在地球气候系统中的作用，分析生物物理参数与大气中甲烷浓度之间的相互作用是必要的。本研究旨在调查2019年至2023年间生物物理因素对印度奥里萨地区对流层甲烷（CH₄）浓度的影响。甲烷浓度数据来自Sentinel-5P TROPOMI卫星。10月份的甲烷浓度最高（分别为2020年的1957.8 ppb、2021年的1958.8 ppb、2022年的1972.1 ppb和2023年的1971.1 ppb），而5月份的甲烷浓度最低（分别为2019年的1864.5 ppb、2020年的1880.4 ppb、2021年的1884 ppb、2022年的1910.9 ppb和2023年的1916.3 ppb）。地表温度（LST）、归一化植被指数（NDVI）、归一化建筑指数（NDBI）、归一化水分指数-I（NDWI-I）和归一化水分指数-II（NDWI-II）分别用于表示地表温度、植被、建筑状况、水分和植被含水量。LST和NDBI与对流层甲烷浓度呈显著负相关，而NDVI则呈显著正相关。随着NDWI-I的增加，甲烷浓度下降，表明两者之间存在负相关关系。这些指数与甲烷浓度具有非常高的相关性（>0.90）。逐步回归模型能够解释超过72%的对流层甲烷浓度变化，其中卫星数据起到了重要作用。在奥里萨的30个地区中，有23个地区的LST对甲烷预测具有贡献。

引言

甲烷是第二大潜在的温室气体（GHG），其全球变暖潜能值（GWP）是二氧化碳（CO₂）的28倍（Sysoeva等人，2025年）。因此，对流层甲烷浓度是解决区域和全球范围内变暖问题的重要参数（Li等人，2022年）。过去四十年中，大气中的甲烷浓度持续上升（Jackson等人，2021年）。甲烷排放到大气中的原因包括地质和人为因素，如细菌分解、有机分子分解、畜牧业、石油和天然气活动、垃圾填埋场、煤矿、废水处理以及水稻种植（Jacob等人，2016年；Jacob等人，2022年）。诸如“全球甲烷承诺”之类的全球协议旨在减少甲烷排放，这在一定程度上基于对甲烷与生物物理参数相互作用的理解（Wiener和Felgenhauer，2023年）。甲烷动态评估支持联合国的可持续发展目标（SDGs），如消除贫困（SDG 1）、零饥饿（SDG 2）、良好健康与福祉（SDG 3）、清洁水（SDG 6）、可持续城市和社区（SDG 11）、负责任的消费和生产（SDG 12）、气候行动（SDG 13）以及陆地生命（SDG 15）（Haines等人，2017年；Shindell等人，2021年）。控制农业中的甲烷排放有助于实现环境可持续性和粮食安全之间的平衡（Zhang，2023年；He等人，2024年）。

要理解和控制甲烷在地球气候系统中的作用，需要评估生物物理参数与甲烷浓度之间的联系。甲烷排放与生物物理参数之间的复杂关系存在地区差异（Pandey等人，2010年；Reay等人，2018年；Barba等人，2019年）。许多生物物理因素，如人为和自然过程，控制着甲烷的来源、汇和大气动态，从而影响对流层甲烷浓度（Reay等人，2018年；Turner等人，2019年）。对流层甲烷浓度主要受生物物理因素的控制，包括温度、湿度、植被、土壤特性、大气化学成分和永久冻土动态以及土地利用模式，这些因素显著改变了甲烷的源-汇平衡（Hergoualc’h和Verchot，2014年；Chowdhury等人，2023年；Arif等人，2024年）。特别是来自湿地和农业区的甲烷排放受到地表温度的显著影响（Bansal等人，2018年）。由于地表植被参与甲烷的合成、传输和消耗，它对对流层甲烷（CH₄）浓度有重要影响（Xie等人，2009年；Carmichael等人，2014年）。湿地植被在土壤厌氧环境中有利于甲烷的产生（Zhang等人，2017年；Tiwari等人，2020年；Vroom等人，2022年）。湿地、稻田和热带洪泛区的甲烷排放因季节性或持续性淹没而显著增加（Xu等人，2021年；Murguia-Flores等人，2023年；Das等人，2024年）。气候变化导致的植被变化影响土壤的热量和湿度状况，进而影响甲烷排放（Schuur等人，2015年；Lawrence等人，2015年；Borges等人，2018年）。预计这些因素会因持续的气候变化而增加甲烷浓度，从而形成加速全球变暖的正反馈循环。生物物理变量与甲烷浓度之间的相互作用有助于理解其行为、预测其未来趋势并减少其气候影响（Praveen和Sharma，2019年）。这些评估为可持续发展计划、政策制定者和气候建模提供了重要信息（Dean等人，2018年）。

遥感技术已被证明是连续监测和评估地球表面的有效工具。许多研究人员利用遥感技术监测地表植被、湿度、温度等多种属性（Nanda等人，2023年；Ghosh等人，2024a & 2024b；Mandal等人，2024年）。基于遥感的植被指数，如归一化植被指数（NDVI）、归一化水分指数（NDWI）和地表温度（LST），能够非常准确地反映地表植被、湿度和温度状况（Ghosh等人，2019年、2022年；2023年）。此外，还有一些遥感传感器，如日本宇宙航空研究开发机构的温室气体观测卫星（GOSAT）、美国国家航空航天局（NASA）Aqua卫星上的热红外和近红外光谱仪（TANSO-FTS）、大气红外探测器（AIRS）以及欧洲航天局（ESA）ENVISAT卫星上的扫描成像吸收光谱仪（SCIAMACHY）和Sentinel-5卫星上的对流层监测仪器（TROPOMI），它们能够检测大气中的甲烷含量（Zhang等人，2014年；Jindal等人，2020年；God?owska等人，2023年；D. Venkata等人，2024年；Ghosh和Manna，2024年）。基于地面的甲烷（CH₄）测量网络可以提供长期频繁的观测数据，但其空间覆盖范围有限。机载LiDAR传感器可以扩展空间覆盖范围，但只能进行离散点捕捉（Yu等人，2021年）。Michailidis等人（2023年）证明了基于地面的LiDAR与TROPOMI观测结果的一致性。TROPOMI传感器具有更高的空间分辨率和每日全球覆盖能力，能够更精确地量化局部来源的甲烷浓度，这使其优于空间分辨率为260公里的早期仪器（Schneising等人，2019年；Tu等人，2020年；Lorente等人，2021年）。此外，温室气体卫星（GHGsat）也能以0.05°的空间分辨率监测甲烷，但只能覆盖有限的目标区域（Yu等人，2021年）。TROPOMI的每日全球覆盖和精细的空间分辨率（5.5公里×7公里）使其能够以其他卫星任务无法实现的精度监测区域规模的甲烷排放（Gao等人，2023年）。与其它传感器相比，Sentinel-5 TROPOMI得出的甲烷浓度数据已被证明更为可靠（Li等人，2024年）。

印度东部地区的经济正在增长，农业活动、城市化和工业化进程也在加快。作为印度东部的重要州，奥里萨在过去二十年里在农业、工业和社会经济方面经历了前所未有的变化（Sahoo和Joshi，2018年；Hoda等人，2021年）。根据GHG Platform India提供的2005年至2018年的数据，“奥里萨温室气体排放趋势分析”显示，奥里萨州占全国总面积的4.74%，人口占全国总数的3.38%，但其温室气体总排放量占全国总量的9.30%。奥里萨州在水稻产量方面排名第三，拥有全国7%的水稻种植面积和11%的产量（Shende等人，2024年）。Kumar（2016年）指出，该州的经济结构已从农业转向工业。奥里萨拥有印度最大的煤炭储量（印度政府，2024年）。Ghosh和Manna（2024年）的最新研究表明，过去五年里奥里萨州的对流层甲烷浓度逐年增加，年均增长率为2.19 ppb。鉴于此，本研究在奥里萨州进行，旨在调查2019年至2023年间生物物理因素与对流层甲烷浓度（通过Sentinel-5P TROPOMI数据获得）之间的关系。本研究使用基于遥感的植被指数作为生物物理因素（地表温度、植被、水分、建筑状况和植被含水量）的指标，并通过简单相关性和回归分析确定生物物理因素对甲烷浓度的影响。最后，通过逐步回归分析评估了这些因素对甲烷浓度的贡献。

研究区域

本研究在印度东部的奥里萨州进行。该州南北方向范围为17.7°N至22.5°N，东西方向范围为81.2°E至87.6°E（图1）。奥里萨州面积为1,55,707平方公里，人口为4.2亿，约占印度总人口的3.47%（2011年人口普查）。该州下辖30个区，其中包括Koraput、Nabarangpur和Kandhamal区。

生物物理因素对甲烷浓度的影响

通过简单相关性分析确定了各个生物物理因素对对流层甲烷浓度的影响。相关性系数的空间变化在专题地图中进行了展示。相关性系数（r）的显著性也进行了测试，并在补充表格（S-2、3、4、5和6）中呈现。所得结果按以下标题进行了描述。

讨论

本研究中考虑的生物物理因素对甲烷浓度有显著影响。月度地表温度（LST）的变化表明，在冬季，该州北部和西北部的地区LST相对较低。而在夏季，西部地区的LST则非常高（图S-1）。本研究显示LST与甲烷之间存在负相关关系。

结论

研究发现，奥里萨州的对流层甲烷浓度在10月份最高，在5月份最低。甲烷浓度逐渐增加，10月份增加了0.67%，5月份增加了2.8%。本研究成功展示了奥里萨州对流层甲烷浓度与生物物理因素之间的相互作用。不同地区的这些因素影响程度各不相同。海拔较低的沿海地区...

作者贡献声明

阿玛雷什·昆蒂亚（Amaresh Khuntia）：写作——审稿与编辑。阿拉亚·库马尔·比斯瓦莫汉·莫哈帕特拉（Araya Kumar Biswamohan Mohapatra）：写作——审稿与编辑。阿尔纳布·曼达尔（Arnab Mandal）：写作——审稿与编辑。苏迪普塔·曼纳（Sudipta Manna）：写作——审稿与编辑，初稿撰写，软件使用，数据分析，正式分析。阿尔加·戈什（ARGHA GHOSH）：写作——审稿与编辑，初稿撰写，可视化处理，验证，监督，资源协调，方法论设计，调查实施，数据分析，概念构建。阿基莱什·库马尔·古普塔（Akhilesh Kumar Gupta）：写作——审稿与编辑，...

未引用的参考文献

Al‐Haj和Fulweiler，2020年；Arif，2024年；Ghosh等人，2024b；印度政府，2024年；RoyChowdhury等人，2018年；Tiwari等人，2019年；Wooldridge，2019年。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突/竞争利益。

数据可用性声明

数据可应要求提供

伦理声明

不适用

资金情况

本研究未获得任何资金支持

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突/竞争利益。

致谢

作者衷心感谢布巴内斯瓦尔奥里萨农业大学农业气象学系提供的必要支持，以便开展本研究工作。