全球和東亞地區(qū)CH4濃度時空分布特征分析

張紹會,謝 冰,張 華*,周喜訊,王秋艷,楊冬冬

全球和東亞地區(qū)CH4濃度時空分布特征分析

張紹會1,2,謝 冰3,張 華1,2*,周喜訊2,王秋艷1,楊冬冬1

(1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044；2.中國氣象科學(xué)研究院,災(zāi)害天氣國家重點實驗室,北京 100081；3.中國氣象局氣候研究開放實驗室,國家氣候中心,北京 100081)

利用最新的AIRS衛(wèi)星觀測資料分析了2002年12月~2016年11月全球和東亞地區(qū)(70°~140°E, 10°~55°N)CH4濃度的時空變化分布特征.研究發(fā)現(xiàn),2003~2016年,全球CH4年平均濃度從1774.2×10-9增加到1789.1×10-9,年增長率約為1.1×10-9/a;東亞地區(qū)CH4年平均濃度從1811.5×10-9增加到1841.0×10-9,年增長率約為2.0×10-9/a.在美國西南部、南美洲南部、澳大利亞東南部、中國青藏高原和東北地區(qū)等地上空,CH4濃度增幅比較明顯,而在北美洲的東北部上空,CH4濃度出現(xiàn)負(fù)增長.北美洲東北部和俄羅斯東部等地上空CH4濃度的變化與溫度變化呈正相關(guān);如在冬季,該地區(qū)溫度與周圍地區(qū)相比更低,同時CH4濃度更低.本文利用近10a的衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲得了CH4濃度的垂直廓線,顯示不同緯度帶CH4濃度均隨著高度的升高逐漸減小,且高緯度地區(qū)CH4濃度減小的最快.近年來,在低緯度地區(qū)對流層中低層CH4濃度變化較為明顯.在對流層低層(850hPa),北半球CH4濃度隨著緯度增加逐漸變大;在南半球則隨著緯度增加先減小后變大.而在平流層內(nèi),CH4濃度在赤道處最大,且隨著緯度的升高逐漸減小.此外,CH4的濃度分布存在明顯的季節(jié)變化:在北半球,大部分地區(qū)夏季CH4濃度高于冬季(約20×10-9~40×10-9),但在撒哈拉沙漠和中國新疆塔里木盆地等地區(qū)上空,冬季CH4濃度高于夏季(約40×10-9~60×10?9).在冬季,中國四川西部上空的CH4濃度要比青藏高原上空高(約100×10-9~120×10-9).

AIRS；CH4；時空分布；季節(jié)變化

CH4作為僅次于CO2的最重要的溫室氣體,其濃度的增加,對地-氣系統(tǒng)具有顯著的加熱作用[1]; CH4在大氣中的濃度雖然不及CO2的1%,但是其輻射效率(3.63×10-4(W/m2)/10-9)卻是CO2(1.37× 10-5(W/m2)/10-9)的 26.5倍[2-3].大氣中CH4濃度的變化主要取決于CH4的源和匯.CH4的排放源主要包括自然源(濕地、海洋、凍土帶和生物質(zhì)腐爛等)和人為源(水稻田、家畜排放、化石燃料不完全燃燒、天然氣開采和垃圾填埋等).其中,人為源約占全球CH4排放的60%以上[4].CH4的排放源主要為地面源;除了一部分被海洋和土壤微生物吸收[5-6],其他全球CH4排放總量的90%在對流層耗散,其中,80%在對流層低層大氣中耗散,只有10%向上輸送到平流層[7].雖然在20世紀(jì)80年代,大氣中CH4濃度增速減緩[8],但是在2016年,全球大氣中CH4平均濃度達到1853×10-9,打破了2015年的1845×10-9的歷史最高記錄,達到工業(yè)化前(1750年)水平的257%[9].

目前對大氣中CH4濃度的監(jiān)測手段主要有地基、空基和衛(wèi)星遙感探測3種.地基觀測擁有觀測時間序列長,數(shù)據(jù)可靠性較高等優(yōu)勢,但是受到環(huán)境限制,擁有一定的空間局限性;空基探測的優(yōu)勢在于能夠?qū)崟r探測高空尤其是對流層中上層乃至平流層來獲得數(shù)據(jù),但是其使用成本高昂,造成探測時間序列短;而衛(wèi)星遙感探測不僅兼具前兩者的優(yōu)勢,同時監(jiān)測范圍更廣,還能彌補地基和空基觀測的不足;并且基于該方面的研究取得了一定成果[10-11].現(xiàn)在常用的CH4觀測衛(wèi)星主要有SCIMACHY、GOSAT、AIRS和IASI等.如Bergamaschi等[12]和Webb[13]發(fā)現(xiàn)CH4大量排放主要歸因于熱帶地區(qū)濕地排放;Crevoisier等[14]和Xiong等[15]均發(fā)現(xiàn)南亞地區(qū)夏季的CH4煙羽現(xiàn)象;Yang等[16]發(fā)現(xiàn)CH4的排放和濃度水平受溫度的影響大于降水;Zhang等[17]用不同衛(wèi)星資料與地基觀測進行對比,發(fā)現(xiàn)AIRS與地基觀測相關(guān)性最高;張興贏等[18]和王紅梅等[19]驗證了中國地區(qū)AIRS反演的CH4資料與地基觀測資料誤差在2%.由于關(guān)于CH4濃度長期時空變化的分析還有所欠缺,因此本文利用AIRS最新的 CH4觀測數(shù)據(jù)進行全球范圍內(nèi)長時間序列的分析,并進一步研究東亞地區(qū)(70°~140°E,10°~55°N) CH4濃度的時空分布和季節(jié)變化特征.

1 數(shù)據(jù)介紹

研究所用的衛(wèi)星資料來自于搭載在Aqua衛(wèi)星上的大氣紅外探測器(AIRS).AIRS采用多孔徑,梯階紅外光柵陣分光技術(shù)對來自地球大氣和地表的紅外光進行觀測與分析;該探測器觀測的紅外光譜區(qū)域覆蓋650~2700cm-1,并分為2378個通道, AIRS的光譜分辨率(/Δ)的均值約為1200,分為3個波段:3.74~4.61,6.20~8.22和8.80~15.4μm,覆蓋了7.66μm的CH4探測帶.AIRS每天的觀測可覆蓋全球2次.本文利用的是AIRS觀測的2002年12月~2016年11月的AIRX3STM數(shù)據(jù)集(經(jīng)過科學(xué)數(shù)據(jù)處理后的大氣中CH4月平均觀測數(shù)據(jù). URL: https://airs.jpl.nasa.gov/data/get_data),水平分辨率為1°×1°. CH4濃度在對流層中垂直混合是不均勻的,本文選擇對流層中低層范圍為1000~400hPa.由于人類活動主要集中在北半球,所以本文采用北半球的季節(jié)變化為標(biāo)準(zhǔn),即春季期為3~5月;夏季期為6~8月;秋季期為9~11月;冬季期為前一年12月到當(dāng)年的2月.赤道和南半球以月份代表季節(jié)變化.

2 分析和討論

2.1 CH4濃度時空變化分布

從2003~2016年,近地面全球CH4平均濃度逐年增加(圖1),從 1774.2×10-9增加到1789.1×10-9,年增長率約為1.1×10-9/a.在東亞地區(qū),CH4年平均濃度從1811.5×10-9增加到1841.0×10-9,年增長率約為2.0×10-9/a,東亞地區(qū)的年增長率高于全球.2003~ 2006年,全球CH4平均濃度增長緩慢,該現(xiàn)象與全球分布的本底站觀測相吻合[20-21]. 2007~2010年,東亞地區(qū)(70°~140°E,10°~55°N)CH4平均濃度先增長后減小,在2009年達到峰值,其濃度約為1858.5×10-9,這與中國本底站觀測數(shù)據(jù)一直處于逐年增長的趨勢不同[22].2011~2016年,是CH4濃度的快速增長期,這與地基觀測資料相一致[23].2016年東亞地區(qū)地表CH4濃度達到1871.1×10-9,是1990年以來濃度最大值[24];對于全球,在2006年后大氣CH4濃度再次呈現(xiàn)上升趨勢,上升的原因可能是濕地以及北半球中緯度地區(qū)人為源的CH4排放增加.對于東亞地區(qū),CH4濃度的快速增長可能是由于近年中國經(jīng)濟的高速發(fā)展,人類活動增強所致,如養(yǎng)牛數(shù)目的增多、水稻種植面積的增加和化石燃料消耗增多等,但在2008年出現(xiàn)全球性的經(jīng)濟危機,使得東亞地區(qū)的經(jīng)濟增長出現(xiàn)減緩,人類活動有所減弱.根據(jù)資料顯示,僅中國地區(qū),天然氣消費量的增長率由2008年的15.8%下降至2009年的9.4%[25-26],到2010年,其增長率達到21.8%[27].此外,東亞地區(qū)CH4的年平均濃度均高于全球同期平均水平.

圖1 2003~2016年全球和東亞地區(qū)近地面CH4濃度變化趨勢

圖2 2003~2016年CH4濃度增長率的全球分布

CH4平均濃度在全球中低緯度地區(qū)均出現(xiàn)不同程度的增長(圖2),其中在夏季增幅最為明顯(見圖3).這是因為:①降水增多,導(dǎo)致濕地面積的增大,并且溫度的升高,有助于CH4通量的增加;②水稻在夏季的生長較為旺盛;導(dǎo)致CH4排放的增多;③中高緯度地區(qū)擁有廣袤的凍土帶,隨著溫度的升高(尤其是夏季),凍土帶逐漸變?yōu)樘荚碵28].而且在不同季節(jié)變化中,青藏高原增長率均比較大(圖3).在北半球,CH4平均濃度增幅較明顯的區(qū)域主要位于北半球中緯度地區(qū),如北美洲西南部、北歐地區(qū)、中東地區(qū)、青藏高原和東北地區(qū)等地上空的CH4濃度增加較為明顯(增長率3×10-9~7×10-9/a).北美地區(qū)CH4濃度的快速增長與近年來美國加大對西南部頁巖氣的開發(fā)力度,致使地下煤層中的天然氣發(fā)生泄漏有關(guān)[29-30],而北歐地區(qū)CH4濃度的快速增長則主要是由于全球變暖的加劇導(dǎo)致北極圈中冰川、苔原和凍土融化、海洋永凍層消退釋放大量CH4造成的(海冰表面存在著吸收和消耗CH4的過程)[31-33].在南半球,CH4平均濃度增幅較大的區(qū)域主要位于中緯度地區(qū),如澳大利亞東南部和南美洲南部等地上空.澳大利亞東南部特殊的濕地結(jié)構(gòu)和氣候條件造成該地區(qū)呈現(xiàn)季節(jié)性濕地[34](雨季降水充沛,濕地面積變大;旱季降水稀少,濕地面積干涸減小),在全球變暖的情況下,由于溫度升高和降水增多,因濕地面積變化導(dǎo)致CH4的排放增多[35];南美洲南部溫帶草原牧場廣闊,畜牧業(yè)發(fā)達,牲畜通過生物作用向大氣中排放大量的CH4(畜牧業(yè)排放的CH4占全球總量的1/3)[36-37].東北地區(qū)是中國的糧倉,隨著水稻種植面積的不斷擴大[38],導(dǎo)致產(chǎn)生的CH4增多;同時該地區(qū)屬于中國的重工業(yè)和能源基地,尤其是以石化資源開發(fā)及加工生產(chǎn)為主,該地區(qū)有一部分CH4濃度的增加也是工業(yè)活動造成的.而青藏高原地區(qū)CH4濃度的明顯增加主要是由以下幾點造成的:①青藏高原地勢較高,四川盆地和云南等地的植被和草原產(chǎn)生的CH4通過大氣流動向上輸送到青藏高原上空,并在此積累[39];②青藏高原畜牧業(yè)發(fā)達,牲畜釋放產(chǎn)生的CH4也成為不可忽視的原因之一[40-41];③由于全球變暖,不僅導(dǎo)致凍土帶和冰川融化緩慢釋放凍結(jié)中的溫室氣體[42],還促使植物和微生物的活動增強,產(chǎn)生更多的CH4氣體(青藏高原草甸等植物會釋放CH4氣體)[43-44].在赤道和高緯度地區(qū)上空,CH4濃度的增長率非常小(0~1×10-9/a).這主要是由于赤道地區(qū)植被和泥炭土地對CH4的吸收能力增強,使該地區(qū)CH4濃度減少[45-46].然而對于高緯度地區(qū)而言,可能與溫度變化影響有關(guān).

圖3 2003~2016年CH4濃度季節(jié)增長率

2.2 CH4緯度分布變化

圖4 2003年和2016年緯向平均的CH4濃度廓線

CH4的平均濃度會因為緯度和大氣壓力層的不同而存在著空間上的差異(圖4).同緯度地區(qū),全球CH4平均濃度隨著高度的增加而逐漸減小.在對流層中低層,CH4緯向平均濃度呈不對稱分布,即北高南低的分布特征.對流層中層CH4平均濃度變化最為顯著(圖4(b)),在低緯度地區(qū),其對流層中低層在2016年的CH4平均濃度明顯高于2003年(45×10-9~ 70×10-9),并且在中低緯度地區(qū),其對流層中低層CH4平均濃度變化也非常明顯.這與人類活動增強密切相關(guān).僅在2016年,北半球中低緯度地區(qū)消耗石化資源占全球的74.9%以上,其中天然氣占消耗石化資源的27.6%[47].

全球各緯度地區(qū)的CH4濃度廓線變化趨勢基本一致(圖5),均隨著高度的升高逐漸降低.但是CH4濃度在不同高度的變化不同.在對流層中低層,高緯度地區(qū)CH4濃度最大,而低緯度地區(qū)最小;在對流層中上層乃至平流層,低緯度地區(qū)CH4濃度最大,而高緯度地區(qū)最小.

圖5 2007~2016年全球不同緯度地區(qū)CH4平均濃度廓線

2.3 對流層中低層CH4濃度全球分布

圖6 850hPa處, 2003~2016年全球CH4平均濃度分布

圖7 850hPa處, 2003~2016年全球CH4濃度分布

在北半球(圖6),大部分地區(qū)CH4平均濃度隨著緯度的增加而增加;而在南半球,CH4濃度則隨著緯度的增加而呈現(xiàn)不規(guī)則的變化,且北半球CH4平均濃度高于南半球.CH4的全球分布呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化(圖7).在北半球,大部分地區(qū)夏秋季CH4平均濃度最大,春冬季最小,變化較大區(qū)域出現(xiàn)在中高緯度地區(qū).由于濕地是CH4的主要排放源之一[48],加拿大、北歐和俄羅斯西伯利亞地區(qū)擁有大量的淡水濕地.在北美洲東北部和俄羅斯東部等地上空的CH4平均濃度變化與溫度變化相關(guān).在冬季(圖8),上述地區(qū)溫度更低,CH4平均濃度(圖7)也明顯低于北半球其他高緯度地區(qū).原因是加拿大和西伯利亞北極大陸架遍布富含CH4的永久凍土層,凍土帶是一個龐大的溫室氣體來源,且易受到全球氣候變化的影響.凍土帶既擔(dān)當(dāng)碳源的作用,也起著冷凍貯藏CH4的作用.隨著全球變暖的加劇,凍土融化所釋放的CH4未經(jīng)氧化便直接擴散至大氣層中,加劇全球溫室效應(yīng)(根據(jù)Cooper等[49]評估,由此釋放到大氣中的CH4貢獻輻射強迫約占全球總量的1/4).在南半球,在6、7和8月份(南半球冬季),CH4平均濃度達到最大,而在12月份至來年1、2月份(南半球夏季),其濃度達到最小,并且CH4濃度變化在澳大利亞中部較明顯.在12月份~次年1、2月份,澳大利亞屬于夏季,澳大利亞大陸夏季比海洋升溫快(約為8~12℃)(圖8),形成低壓中心,CH4濃度受到海洋風(fēng)的影響擴散到其他地方,而在冬季,澳大利亞大陸比海洋降溫快(約為6~12℃)(圖8),形成高壓中心,此時,大陸上空的CH4不易擴散.

圖8 850hPa處, 2003~2016年全球溫度分布

2.4 東亞地區(qū)對流層中低層CH4分布

圖9 2003~2016年東亞地區(qū)CH4年平均濃度及其增長率的空間分布

在東亞地區(qū)上空,CH4平均濃度隨著緯度的增加呈現(xiàn)不規(guī)則變化(圖9(a)).中國北方地區(qū)和四川西部等地區(qū)上空的CH4濃度較高,平均濃度可達1850.0×10-9~1880.0×10-9,且東亞地區(qū)CH4濃度增長率要高于全球平均水平.黑龍江地區(qū),豐富的石化資源的開采利用過程中會造成CH4濃度增加;同時,黑龍江水稻的種植面積占全國總量的10%以上[50].青海上空CH4濃度約1830×10-9~1850×10-9,這是因為其不僅擁有中國最大的濕地保護區(qū)(占中國濕地總面積的15%以上),同時還是全球影響力最大的生態(tài)調(diào)節(jié)區(qū).新疆地區(qū)上空CH4濃度較高(1840×10-9~ 1860×10-9)是由于其較發(fā)達的畜牧業(yè)和天然氣過度開發(fā)等2種原因造成的.而四川上空CH4濃度較高(1820×10-9~1860×10-9)是受到了天然氣開發(fā)和森林植被的影響,該地區(qū)是我國天然氣最早開發(fā)地區(qū),其天然氣資源量約占中國的10%~20%[5].在青藏高原上空,雖然其CH4濃度較低(1770×10-9~1790×10-9).但是其增長率比較大(約4×10-9~6×10-9/a)(圖9(b)),這與其地理位勢有關(guān).

圖10 2003~2016年東亞地區(qū)CH4濃度季節(jié)變化

東亞地區(qū)CH4濃度的分布呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化(見圖10).其中,中國大部分地區(qū)CH4濃度在夏秋季最大,春冬季最小.在夏秋季CH4濃度最大,這和水稻種植有關(guān),中國是全球最大的水稻種植國,種植區(qū)域主要集中在南方和東北地區(qū),其中湖南、江蘇、江西、廣東和湖北等地占全國稻田總排量的60%[52],夏秋季溫度高,水稻田產(chǎn)生的CH4較多.在冬季,青藏高原上空的CH4濃度低于四川西部.在青藏高原東南部和四川西部,CH4排放受植被季節(jié)變化和天然氣開采影響較大;四川省在全國CH4排放量初步估計中最高,而且青藏高原地勢較高,擁有大量的凍土帶,隨著冬季溫度的下降,凍土帶此時成為一個巨大的碳匯.在新疆上空,冬季CH4平均濃度要高于夏季.主要原因:①該地區(qū)是中國天然氣和石油開發(fā)的重點區(qū)域(“西氣東輸”工程),并且隨著冬季供暖等加強,導(dǎo)致該地區(qū)天然氣等石化資源消耗較大,造成CH4排放增多[53];②新疆地區(qū)是中國牛肉和牛奶生產(chǎn)大區(qū),其中奶牛數(shù)量約占全國20%以上(秋冬季是牛的生長旺季)[54].

3 結(jié)論

基于AIRS觀測得到的CH4資料(2002.11~ 2016.11),分析了全球和東亞地區(qū)CH4濃度的時空變化和季節(jié)變化特征,得到以下主要結(jié)論:

3.1 AIRS衛(wèi)星資料和地面WMO大氣本地站的觀測資料進行對比,均顯示出較高的可靠性.其結(jié)果顯示:2003~2016年,AIRS(全球)年均值與觀測資料相對誤差均不超過2%.

3.2 2003~2016年,近地面全球CH4平均濃度有明顯增加,且東亞地區(qū)的平均增長率高于全球.近年來,在美國的西南部、亞洲的中部和東部、澳大利亞西南部和南美洲的南部等地上空,CH4濃度增幅比較明顯.在冬季,在北美洲北部和俄羅斯東部等地,CH4濃度的變化與溫度呈正相關(guān).在低緯度地區(qū),對流層中低層CH4濃度有明顯的增加.而且,不同緯度帶的CH4濃度隨著高度的升高而逐漸減小.

3.3 在對流層低層(850hPa),北半球大部分地區(qū)的CH4濃度隨著緯度的增加而逐漸變大,在南半球,CH4濃度隨緯度的增加呈現(xiàn)先變小后變大的趨勢,且北半球CH4濃度高于南半球.在北半球,大部分地區(qū)CH4濃度在夏秋季最大,在春冬季最小.同時,在撒哈拉沙漠和中國新疆等地上空,冬季的CH4濃度高于夏季,而在冬季,中國四川西部上空的CH4濃度要比青藏高原上空高.在南半球,CH4的濃度在6、7和8月份(南半球的冬季)達到最大,而在12月份至次年的1、2月份(南半球夏季)達到最小;在平流層中,CH4濃度由赤道向兩極遞減.

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致謝：感謝NASA提供的AIRS相關(guān)衛(wèi)星資料.

The spatial-temporal distribution of CH4over globe and East Asia.

ZHANG Shao-hui1,2, XIE Bing3, ZHANG Hua1,2*, ZHOU Xi-xun2, WANG Qiu-yan1, YANG Dong-dong1

(1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China；2.State Key Laboratory of Severe Weather, Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081, China；3.Laboratory for Climate Studies of China Meteorological Administration, National Climate Center, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China)., 2008,38(12)：4401~4408

The spatial and temporal characteristics of CH4concentration over globe and East Asia (70°~140°E, 10°~55°N) from December 2002 to November 2016 were analyzed based on AIRS (Atmospheric Infrared Sounder) satellite data. The results showed that the global annual mean CH4concentration increased from 1774.2×10-9in 2003 to 1789.1×10-9in 2016, the growth rate was about 1.1×10-9/a. While it increased from 1811.5×10-9to 1841.0×10-9(the growth rate around 2.0×10?9/a) in East Asia. In middle and lower troposphere (1000~400hPa), The growth rate of CH4concentration increased obviously over the southwestern America, southeastern Australia, southern South America, and the Tibetan Plateau and the northeastern China. However, the growth rate was negative over northeastern North America. Over northeastern North America and eastern Russia, the changes of the annual mean CH4concentration and temperature had a positive correlation. For example, in winter, the temperature in these regions was lower than that of surrounding areas, and the CH4concentration was lower than that of surrounding areas, too. The vertical profile of CH4concentration was obtained by recent 10-year satellite data in this paper. The results showed that at different latitudes, the CH4concentration gradually decreased with the increase of altitude, and the fastest decrease happened in the high latitudes. In the middle and lower troposphere of the low latitudes, the average CH4concentration changed obviously. In the lower troposphere (850hPa), the CH4concentration gradually increased with the increase of latitudes in the Northern Hemisphere, and decreased first and then increased in the Southern Hemisphere. In the stratosphere, the CH4concentration was largest over the equator, and gradually decreased as the latitude increased. Additionally, there was obvious seasonal change in the distribution of CH4concentration. In the lower troposphere, over most of the regions in the Northern Hemisphere, the average CH4concentration was higher in summer than it in winter. However, over the Sahara Desert and Tarim Basin in China, the average CH4concentration was higher in winter than it in summer. In winter, the CH4concentration in the western Sichuan Province was much higher than it in the Tibetan Plateau (100×10-9~120×10-9).

AIRS；CH4；spatial and temporal distribution；seasonal change

X511

A

1000-6923(2018)12-4401-08

張紹會(1991-),男,河南濮陽人,南京信息工程大學(xué)碩士研究生,主要從事溫室氣體觀測研究分析.發(fā)表論文1篇.

2018-04-27

國家自然科學(xué)(重點)基金資助項目(91644211,41575002);國家重點研發(fā)計劃(2017YFA0603502)

* 責(zé)任作者, 研究員, huazhang@cma.gov.cn