日本堺市一个城市中心的天然气和生物源CH4排放：基于涡度协方差方法对CH4和C2H6通量的同时测量

　　本研究通过一年期的涡度协方差测量，在日本的Sakai市分析了CH4和C2H6的排放源，发现天然气泄漏贡献了65-78%的CH4排放，并指出现有清单低估了这部分排放，强调改进监测和减排策略的必要性。

　　
城市甲烷排放的精细化解析与清单修订需求——以日本大阪 Sakai 市为例

城市作为全球温室气体排放的重要来源，其甲烷（CH?）排放特征与治理路径受到广泛关注。近期研究揭示，化石能源泄漏已成为城市甲烷排放的主要贡献源之一，但现有排放清单普遍存在低估问题。日本大阪府 Sakai 市作为人口密度达6326人/平方公里的典型大城市，其甲烷排放机制及治理潜力具有代表性。本研究通过为期一年的涡度相关（Eddy Covariance, EC）连续观测与移动监测相结合的方法，系统解析了 Sakai 市CH?排放源特征、时空分布规律及其与现有清单的偏差。

一、观测体系与数据特征
研究团队在 Sakai 市中心高层建筑顶部部署了涡度相关观测系统，同步监测CH?和乙烷（C?H?）浓度及通量。该观测点兼具地理代表性（覆盖人口80.5万）和气候特征（四季分明，年降水量1233毫米）。通过闭路式激光光谱仪（MIRA Ultra）和开放式路径分析仪（LI-7700）的互补配置，实现了CH?通量测量精度达±6 nmol·m?2·s?1，数据连续性达90%以上。特别值得关注的是，夜间CH?通量普遍低于5 nmol·m?2·s?1，显示城市甲烷排放具有显著的人类活动关联性。

二、排放源解析与时空特征
1. 源分类与贡献度
通过C?H?浓度作为示踪剂，结合浓度比与通量比两种方法，将CH?排放源明确划分为化石能源泄漏（占65-78%）和生物源（占22-35%）。其中化石能源贡献主要来自工业设施（占自然气体排放的43%）、商业餐饮（28%）和居民燃气系统（29%），与当地天然气消费结构（工业59%、居民23%、商业9%）高度吻合。

2. 时空动态规律
- 昼夜格局：白天CH?通量达138 nmol·m?2·s?1，夜间降至5-22 nmol·m?2·s?1，形成3:1的日间/夜间排放强度差。夏季日间峰值达83 nmol·m?2·s?1，显著高于其他季节。
- 周际差异：工作日CH?通量比周末高52%，尤其在餐饮集中时段（11-14时）达峰值，反映城市服务活动的时段性特征。
- 季节演变：冬季通量均值（22 nmol·m?2·s?1）较夏季（18 nmol·m?2·s?1）仅低18%，但冬季总排放量因供暖需求增加至8.4 g·m?2·yr?1，占全年总量的62%。

3. 空间分布特征
通过风域分析发现，西北象限（盛行西风区）CH?通量达57 nmol·m?2·s?1，显著高于东南住宅区（28 nmol·m?2·s?1）。移动监测识别出工业集中区（如金属加工厂、化工厂周边）和商业餐饮区（每平方公里密度达0.34个热点）为主要排放源。值得注意的是，在人口密集的住宅区，CH?通量仍保持15-25 nmol·m?2·s?1的日均水平，显示燃气系统泄漏的普遍性。

三、与排放清单的对比分析
当地政府2020年排放清单显示，Sakai市CH?排放量为905 t·yr?1，经地理加权回归后折算为0.66 g·m?2·yr?1。但本研究实测数据显示，2024-2025年度总排放量达10.7 g·m?2·yr?1，其中化石能源贡献7.1 g·m?2·yr?1，生物源3.9 g·m?2·yr?1，与清单数据存在5.4 g·m?2·yr?1的显著偏差（误差率达718%）。

偏差来源分析表明：
1. 工业设施排放：清单仅计及大型固定源，但实测发现金属加工厂周边CH?通量达75 nmol·m?2·s?1，其泄漏源未被有效识别。
2. 城市燃气系统：日本燃气协会数据显示，家庭燃气设备年泄漏量约3.2 L，但现行排放因子（0.01 kg·m3?1）低估实际泄漏强度达60-80%。
3. 生物源遗漏：市政污水管网系统存在约12%的CH?排放未被计入，主要来自污水井盖和管道接口的渗漏。

四、排放控制策略启示
1. 监测体系优化：建议建立"固定源+移动监测+卫星遥感"的三维监测网络，重点覆盖工业集中区（如西北象限）和商业餐饮聚集区（每平方公里0.5-0.7个热点）。
2. 源清单修订：需将燃气管道泄漏（当前清单占比0%）、餐饮后厨泄漏（占自然气体排放12%）、污水处理设施（占生物源排放31%）纳入统计范畴。
3. 治理技术路径：
- 基于EC观测的源定位技术，可优先在西北工业区和西南商业区实施泄漏检测
- 建议推广"智能燃气表+物联网监测"系统，实时追踪家庭用户泄漏（当前监测覆盖率不足15%）
- 针对污水处理设施，需开发低成本生物膜覆盖技术（成本效益比达1:7）
4. 政策衔接：现有碳市场未将城市CH?纳入交易体系，建议参照欧盟《甲烷协议》建立泄漏修复补贴机制（当前日本政府补贴标准为2000日元/户·年）

五、研究局限性与发展方向
当前研究存在三个主要局限：①夜间排放源识别不足（占自然气体排放的41%）；②移动监测覆盖密度不均（西南区密度达0.8个/km2，东北区仅0.2个/km2）；③未考虑交通源CH?排放（实测显示重型货车泄漏率达0.15%）。未来研究建议：
1. 开展全年连续夜间观测，结合红外热成像技术识别隐蔽泄漏源
2. 建立城市尺度CH?排放源数据库（建议采样密度≥1个/km2）
3. 开发基于机器学习的排放预测模型，整合气象、能源消耗、GIS等多源数据

本研究为城市甲烷减排提供了关键科学依据。数据显示，若将当前低估的5.4 g·m?2·yr?1排放量纳入控制范畴，按CH? GWP100=29.8计算，相当于每年减少86万吨CO?当量排放，占全市总碳排放量的7.3%。建议日本政府将城市CH?排放因子修订至0.12 kg·m3?1（当前为0.02 kg·m3?1），并建立基于物联网的泄漏智能诊断系统，这对实现2030年甲烷减排30%的联合国气候目标具有重要实践价值。