【SatWetCH4 第一期】全球湿地甲烷排放通量估算过程模型 SatWetCH4 介绍

SatWetCH4 是一个利用遥感数据驱动、用于全球估算湿地甲烷排放通量的简化过程模型。

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模型全称与目的

模型名称： SatWetCH4 1.0
中文含义： 基于卫星数据的湿地甲烷排放模型
目标： 在全球尺度（0.25°×0.25°分辨率）和月尺度时间分辨率上，模拟湿地甲烷排放，重点关注其空间分布、季节性和年际变异性。

SatWetCH4 模型介绍

模型基本结构与方程

SatWetCH4 模型采用一个一步法（one-step approach）模拟甲烷通量，简化了土壤碳过程与甲烷生成、氧化和传输的多个环节。主要公式如下：

1、甲烷通量计算公式：

2、碳基质（Csubstrate）估算方法

Csubstrate 是模型的关键输入变量，表示可被甲烷菌利用的有机碳量。其估算方法如下：

碳基质演化方程：

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初始化与时间序列：

• 首先用 2001 年的 NPP 数据运行 100 年以达到稳态。
• 然后使用 2003–2020 年的月度 NPP 数据重建动态 Csubstrate。

驱动数据（输入数据）

输入变量	数据源	分辨率	时间范围
土壤温度	ERA5-Land	0.1°	2003–2020
湿地面积比例 fw	WAD2M / TOPMODEL	0.25°	2003–2020
净初级生产力（NPP）	MODIS MOD17A2HGF（PsnNet）	500m（重采样） → 0.25°	2003–2020

参数校准方法

模型包含两个可调参数：

• k（尺度系数）
• Q_{10}^0（温度敏感性）

校准数据：

• 使用 58 个全球湿地通量观测站（FLUXNET-CH₄ 等）测得的甲烷通量数据。

• 每个站点假设为 100% 湿地覆盖（fw = 1），输入对应的 Csubstrate 和温度数据。
• 使用最小二乘法优化 k 和 Q_{10}^0，目标函数为：
  [J = \sum_{\text{sites}} w_{site} \cdot \text{MSD}_{site}]

最终优化结果：

• Q_{10}^{0} = 2.99
• k = 3.097 \times 10^{-2} μg CH₄ m⁻² s⁻¹

模型验证和性能评估

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模拟结果与观测数据比较：

区域	平均 RMSD	时间相关性
北方寒带（boreal）	0.23 μg CH₄ m⁻² s⁻¹	r > 0.7（大多数站点）
温带	0.8	r 中等偏高
热带	1.1	r 偏低甚至负值

原因：

• 热带数据稀缺，采样时间较短；
• 存在湿地类型、植被、水文等未考虑的重要因素。

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全球模拟结果

• 时间范围： 2003–2020
• 空间分辨率： 0.25°×0.25°
• 年均甲烷排放总量：
  • 使用 WAD2M：85.6 Tg CH₄ yr⁻¹
  • 使用 TOPMODEL：70.3 Tg CH₄ yr⁻¹
  • 均低于 GMB 范围（102–182 Tg CH₄ yr⁻¹）

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与其他模型比较：

• 空间模式： 与 GMB-LSMs、WetCHARTs、UpCH₄ 类似
• 在某些区域（如萨赫勒、澳大利亚）有效抑制了 WAD2M 的“沙漠误判”
• 能够较好地模拟北方高纬和温带地区的季节性变化

模型局限性

1. 未显式区分甲烷的产生、氧化、运输过程；
2. 热带地区表现较差，因缺乏对水文变量（WTD、SWC）的刻画；
3. 受限于 遥感湿地数据的不一致性（如 WAD2M 时间序列缺陷）；
4. 未考虑植被类型差异对甲烷排放的影响；
5. 数据稀缺性问题：热带地区缺乏通量塔数据，影响模型校准。

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展望与改进方向

• 融合高分遥感水文数据（如 Planet 的 SWC）
• 针对不同湿地类型进行参数分组校准
• 与反演模型耦合，利用大气甲烷浓度反推参数
• 使用更稳定的动态湿地产品（如 GIEMS-2）

模型获取与开源地址

数据驱动产品： MODIS、ERA5-Land、WAD2M、TOPMODEL

代码与数据获取-Satellite-based modeling of wetland methane emissions on a global scale (SatWetCH4)

项目文件夹包含以下 5 个文件：

文件名	类型	描述
Readme.txt	文本文件	使用说明和结构说明
model_function.py	Python 脚本	定义甲烷通量模拟的主函数（模型公式）
optimization_function.py	Python 脚本	定义参数优化（拟合）所用的损失函数及算法
SatWetCH4.py	Python 脚本	主运行脚本：调用优化函数 + 运行模型
sites_data.csv	CSV 文件	用于优化的示例站点数据表格（输入格式示例）

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1. Readme.txt

这是一个简单的说明文件，包含以下信息：

• 文件结构说明
• 每个脚本的用途
• 使用前需要手动修改路径（尤其是 SatWetCH4.py）
• 数据输入格式说明（参考 sites_data.csv）

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2. model_function.py

主要功能：定义 SatWetCH4 核心模型公式

内容与功能：

该文件定义甲烷通量的计算函数，使用如下公式：

F_CH4 = k * fw * C_substrate * Q10(T) ** ((T - T0)/10)

• k：比例系数（待优化）
• fw：湿地面积比例（wetland fraction）
• C_substrate：碳基质（由 NPP 计算）
• T：土壤温度
• Q10(T)：温度敏感性函数，形如 Q10_0 * (T0 / T)

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3. optimization_function.py

主要功能：使用观测数据优化模型参数 (k 和 Q10_0)

内容与方法：

• 加载站点观测数据（来自 sites_data.csv）
• 构建损失函数（如均方误差 MSE）
• 使用 scipy.optimize.minimize() 进行拟合
• 支持多站点联合优化

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4. SatWetCH4.py

主脚本：运行优化 + 模型预测

功能流程如下：

1. 导入模块：

   from model_function import compute_flux
   from optimization_function import optimize_parameters
   

2. 加载站点数据（CSV）

   data = pd.read_csv("路径/至/sites_data.csv")
   

3. 运行参数优化

   optimal_params = optimize_parameters(data)
   

4. 使用优化参数运行模型

   fluxes = compute_flux(optimal_params, ...)
   

🛠️ 注意事项：

运行前，必须手动修改 SatWetCH4.py 中的数据文件路径，确保指向正确的 sites_data.csv 或其他输入数据。

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5. sites_data.csv

说明：示例站点数据

此 CSV 文件提供了模型优化所需的站点观测数据格式示例。

内容如下：

• T：土壤温度（K）
• NPP：净初级生产力
• CH4_flux_obs：实测甲烷通量
• fw：湿地面积比例（通常为 1.0）

参考

1、论文-Satellite-based modeling of wetland methane emissions on a global scale (SatWetCH4 1.0)