中國(guó)近地面甲烷濃度時(shí)空分布特征及影響因素

郭淏淏,朱煒歆,張霄羽,張 紅*,魏夜香,侯 鑫,荀楠楠 (.山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,山西 太原 030006；.山西大學(xué)黃土高原研究所,山西 太原 030006)

甲烷(CH4)是第二大重要的人為溫室氣體.CH4的排放源十分廣泛,自然排放源主要包括濕地、海洋和白蟻[1];人為排放源主要包括化石能源的開(kāi)采和使用、畜牧業(yè)(反芻動(dòng)物腸道發(fā)酵)、稻田種植和城市垃圾處理[2].大氣中CH4的減少主要是通過(guò)在對(duì)流層和平流層與羥基自由基(OH)反應(yīng)[3].中國(guó)是世界上最大的人為CH4排放國(guó)[4],出臺(tái)一系列CH4排放控制行動(dòng)方案,加強(qiáng)重點(diǎn)領(lǐng)域甲烷排放的監(jiān)測(cè)、核算、報(bào)告和核查體系建設(shè)[5].

當(dāng)前監(jiān)測(cè)大氣CH4濃度的方式主要有2種方式:地面站點(diǎn)監(jiān)測(cè)和遙感監(jiān)測(cè).地面監(jiān)測(cè)具有長(zhǎng)期、系統(tǒng)、準(zhǔn)確等特點(diǎn),世界氣象組織(WMO)在全球范圍內(nèi)建立大氣本底地面監(jiān)測(cè)網(wǎng),連續(xù)監(jiān)測(cè)近地面大氣CH4濃度.遙感監(jiān)測(cè)具有范圍廣、連續(xù)不間斷等特點(diǎn),可以有效的彌補(bǔ)地面監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的不足.目前,大多數(shù)學(xué)者利用AIRS[6]、GOSAT[7]、SCIAMACHY[8]、TROPOMI[9]等CH4衛(wèi)星產(chǎn)品對(duì)各地區(qū)乃至全球的CH4時(shí)空特征進(jìn)行了大量研究[10-14],如Cao 等[15]研究了北半球XCH4的時(shí)空分布特征,結(jié)果表明XCH4的分布具有空間異質(zhì)性,高濃度區(qū)主要分布在低緯度地區(qū);Qin 等[16]利用多種衛(wèi)星產(chǎn)品分析了中國(guó)長(zhǎng)時(shí)間序列的XCH4變化.目前研究CH4采用的數(shù)據(jù)多來(lái)源于衛(wèi)星監(jiān)測(cè)大氣柱濃度產(chǎn)品,且多集中探究時(shí)空分布特征,而對(duì)CH4的影響因素分析較少.

本文將GOSAT 衛(wèi)星近地面CH4數(shù)據(jù)與地面站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證,采用2009 年6 月～2019 年9月近地面CH4數(shù)據(jù)分析了中國(guó)近地面CH4濃度的時(shí)空分布變化特征及季節(jié)變化特征.在此基礎(chǔ)上,分析CH4的主要自然和人為影響因素,采用相關(guān)分析和隨機(jī)森林模型探索影響近地面CH4濃度變化的主要因素,旨在為我國(guó)積極應(yīng)對(duì)CH4濃度快速增長(zhǎng)趨勢(shì)、實(shí)施有針對(duì)性的CH4控制排放政策提供參考.

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

1.1.1 衛(wèi)星遙感CH4觀測(cè)數(shù)據(jù) 衛(wèi)星遙感近地面CH4濃度數(shù)據(jù)來(lái)源于日本溫室氣體觀測(cè)衛(wèi)星(GOSAT).GOSAT 衛(wèi)星產(chǎn)品有多個(gè)類(lèi)型,L4A 級(jí)地表甲烷通量數(shù)據(jù)是L2 級(jí)數(shù)據(jù)(甲烷平均柱濃度數(shù)據(jù))結(jié)合地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)中的站點(diǎn)數(shù)據(jù),再通過(guò)大氣傳輸模型反演得到;L4B 級(jí)甲烷濃度三維分布數(shù)據(jù)是在L4A 級(jí)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上,經(jīng)過(guò)大氣傳輸模型反演得到[17].L4B 數(shù)據(jù)在地表和大氣頂部之間根據(jù)氣壓分為了17層,離地表最近的是975hPa.人類(lèi)生產(chǎn)生活的主要活動(dòng)范圍在近地面,并且近地面也包含更多CH4源和匯信息.本文采用GOSAT L4B 數(shù)據(jù)中975hPa 的CH4濃度來(lái)代表近地面CH4的濃度[18-19],時(shí)間段為2009 年6 月～2019 年9 月,空間分辨率為2.5°×2.5°,時(shí)間分辨率為6h,以netCDF 的格式存儲(chǔ).

1.1.2 地面站點(diǎn)CH4觀測(cè)數(shù)據(jù) 地面站點(diǎn)大氣CH4濃度數(shù)據(jù)來(lái)源于世界溫室氣體數(shù)據(jù)中心.中國(guó)當(dāng)前共有7 個(gè)大氣本底站,選擇瓦里關(guān)站、香格里拉站、上甸子站的地面CH4監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與GOSAT 衛(wèi)星近地面CH4濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證.瓦里關(guān)站(100.90°E,36.12°N)是32 個(gè)的全球大氣本底站之一,位于青藏高原東北部的瓦里關(guān)山頂,該站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為2009 年6月～2019 年9 月的逐日數(shù)據(jù);香格里拉站(99.40°E,28.00°N)位于云貴高原和青藏高原的過(guò)渡區(qū);上甸子站(117.12°E, 40.65°N)位于北京東北方向150km,這兩個(gè)站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為2010 年～2017 年,該監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中有一天一個(gè)監(jiān)測(cè)值或者一天多個(gè)監(jiān)測(cè)值,將一天多個(gè)監(jiān)測(cè)值的進(jìn)行均值處理獲得日均值.

1.1.3 影響因素柵格數(shù)據(jù)集 增強(qiáng)型植被指數(shù)(EVI)數(shù)據(jù)來(lái)源于 NASA 官網(wǎng)(https://ladsweb.nascom.nasa.gov),為了確保產(chǎn)品的質(zhì)量采用Modis特定合成方法去除低質(zhì)量像元.本文提取空間分辨率為0.05°×0.05°逐月EVI 數(shù)據(jù).

土壤濕度數(shù)據(jù)來(lái)源于MERR-2 再分析數(shù)據(jù)集(https://disc.gsfc.nasa.gov).該數(shù)據(jù)集是NASA 戈達(dá)德地球科學(xué)數(shù)據(jù)和信息服務(wù)中心在融合多種氣象觀測(cè)資料和衛(wèi)星數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上所生成的同化數(shù)據(jù)集.本文提取空間分辨率為0.1°×0.1°逐月0～10cm 土壤濕度數(shù)據(jù).

降水、氣溫、風(fēng)速數(shù)據(jù)源于歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)第5代全球再分析資料ERA5數(shù)據(jù)集(https://cds.climate.copernicus.eu).本文提取空間分辨率為0.25°×0.25°逐月總降水量、2m 氣溫、10m風(fēng)速數(shù)據(jù).

夜間燈光數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https://data.tpdc.ac.cn/zh -hans/data)的中國(guó)長(zhǎng)時(shí)間序列逐年人造夜間燈光數(shù)據(jù)集,空間分辨率為1km×1km.

逐月的氣溫、風(fēng)速、降水、土壤濕度數(shù)據(jù)以netCDF格式存儲(chǔ),逐月的EVI 數(shù)據(jù)以HDF格式存儲(chǔ),逐年的夜間燈光以TIF格式存儲(chǔ).表1 總結(jié)了以上數(shù)據(jù)的相關(guān)信息.

表1 數(shù)據(jù)詳細(xì)信息Table 1 Detailed data information

1.1.4 數(shù)據(jù)處理 使用基于Python 的gdal 庫(kù)進(jìn)行批處理將近地面CH4濃度netCDF 和HDF 格式轉(zhuǎn)為T(mén)IF 格式,計(jì)算獲得近地面CH4濃度的年平均濃度及季節(jié)平均濃度,同樣的方法獲得年均EVI、氣溫、風(fēng)速、土壤濕度、年總降水量.將CH4濃度數(shù)據(jù)及影響因素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行重采樣,空間分辨率為0.25°×0.25°.

2.2 研究方法

2.2.1 相關(guān)分析 使用皮爾遜相關(guān)系數(shù)來(lái)分析GOSAT 近地面CH4濃度和3 個(gè)地面站點(diǎn)CH4濃度之間的關(guān)系;

式中:r為衛(wèi)星觀測(cè)值和站點(diǎn)觀測(cè)值相關(guān)性;xi為站點(diǎn)CH4濃度監(jiān)測(cè)值;yi為衛(wèi)星監(jiān)測(cè)值;i為時(shí)間序列;為站點(diǎn)CH4濃度監(jiān)測(cè)值均值;為衛(wèi)星監(jiān)測(cè)值均值.

2.2.2 趨勢(shì)分析法 為研究2009～2019 年大氣中CH4濃度的局部空間非平穩(wěn)性的年際變化,使用趨勢(shì)分析法對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列近地面CH4濃度進(jìn)行定量分析計(jì)算方法如式(2).斜率為正(負(fù))表示CH4濃度的增加(減少),斜率接近零表示CH4濃度趨于穩(wěn)定[20].

式中:slope 為多年逐個(gè)柵格像元的傾向率;xi為第i年的近地面CH4濃度的像元值;n為時(shí)間序列.

2.2.3 隨機(jī)森林 隨機(jī)森林模型常用來(lái)進(jìn)行聚類(lèi)與回歸分析,也能夠進(jìn)行影響因素重要性的評(píng)估[21-22].本文在Python 中進(jìn)行隨機(jī)森林回歸分析,將影響因素作為解釋變量,2010～2018 年近地面CH4年均濃度作為因變量,構(gòu)建隨機(jī)森林回歸模型,進(jìn)行影響因素重要性排序.

偏依賴(lài)圖顯示了機(jī)器學(xué)習(xí)模型中一個(gè)自變量對(duì)先前擬合模型預(yù)測(cè)結(jié)果的邊際效應(yīng),被視為一種對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)果的可解釋的方法[23-24].偏依賴(lài)函數(shù)可通過(guò)固定某個(gè)變量,計(jì)算其它變量的所有組合的預(yù)測(cè)函數(shù)的平均值得到.

2 結(jié)果與分析

2.1 站點(diǎn)驗(yàn)證結(jié)果

利用中國(guó)3 個(gè)大氣本底站(瓦里關(guān)站、上甸子站、香格里拉站)大氣CH4觀測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展對(duì)GOSAT衛(wèi)星近地面CH4濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確性驗(yàn)證.基于站點(diǎn)位置,提取了GOSAT 衛(wèi)星近地面CH4濃度數(shù)據(jù)上相應(yīng)的CH4濃度,對(duì)應(yīng)3 個(gè)站點(diǎn)的有效數(shù)據(jù)分別為3257 個(gè)、1878 個(gè)、1845 個(gè).圖1 表明,瓦里關(guān)站CH4濃度監(jiān)測(cè)值與 GOSAT 衛(wèi)星監(jiān)測(cè)值相關(guān)性R=0.656 (P<0.01),RMSE=27.484;上甸子站CH4濃度監(jiān)測(cè)值與GOSAT 衛(wèi)星監(jiān)測(cè)值相關(guān)性R=0.565(P<0.01), RMSE=60.046;香格里拉站CH4濃度監(jiān)測(cè)值與 GOSAT 衛(wèi)星監(jiān)測(cè)值相關(guān)性R=0.669(P<0.01), RMSE=35.831.瓦里關(guān)站和香格里拉站的CH4監(jiān)測(cè)值與GOSAT 衛(wèi)星值的擬合效果要比上甸子站更優(yōu).這是由于瓦里關(guān)站和香格里拉站的海拔高度都在3km 以上,受到人類(lèi)活動(dòng)影響較小,下墊面較均一,使得CH4濃度更加穩(wěn)定,而上甸子站主要反映京津冀地區(qū)的大氣背景濃度情況,受到人類(lèi)活動(dòng)和工業(yè)生產(chǎn)的影響很大,更容易造成區(qū)域大氣CH4濃度變化[5],使得該地區(qū)近地面CH4濃度更加復(fù)雜.驗(yàn)證結(jié)果說(shuō)明GOSAT 衛(wèi)星L4B CH4產(chǎn)品可以反映近地面CH4濃度,與Adiya 等[19]研究結(jié)果一致.

圖1 衛(wèi)星遙感與地面站點(diǎn)驗(yàn)證Fig.1 Satellite remote sensing and ground site validation

2.2 甲烷濃度的年際變化

見(jiàn)圖2a,中國(guó)近地面CH4濃度總體呈現(xiàn)東部高,西部低的分布格局.高濃度區(qū)主要集中在山西中南部、河北南部、山東南部、河南大部分、江蘇、安徽等地區(qū),低濃度區(qū)分布在新疆、西藏、青海、云南、四川西部、內(nèi)蒙古西部及大興安嶺地區(qū).青藏高原總體是低濃度區(qū),但在南部存在一個(gè)明顯高于周?chē)牡貐^(qū).根據(jù)行政區(qū)劃結(jié)合地理區(qū)位,將中國(guó)分為7 個(gè)區(qū)域(東北、華北、西北、華南、華中、華東、西南),對(duì)中國(guó)近地面CH4濃度進(jìn)行了分區(qū)統(tǒng)計(jì)[16-25](圖2b).華東、華中、華北地區(qū)是我國(guó)近地面CH4濃度的主要高值區(qū)域,濃度值都超過(guò)2000×10-9,西北、西南地區(qū)CH4濃度較低.研究表明,我國(guó)甲烷排放重點(diǎn)領(lǐng)域?yàn)槟茉撮_(kāi)采、腸道發(fā)酵、水稻種植、垃圾填埋、糞便管理、廢水處理.人口密度高的地區(qū)產(chǎn)生的廢水、垃圾、糞便會(huì)更多,因而產(chǎn)生更多的CH4.從全國(guó)范圍來(lái)看,能源開(kāi)采對(duì)CH4排放影響最大,依次為水稻種植、養(yǎng)殖業(yè)、污水處理、養(yǎng)殖業(yè);從分區(qū)來(lái)看,華中和華東地區(qū)水稻種植CH4排放最大,華北地區(qū)能源開(kāi)發(fā)CH4排放最大[4].華北、華中、華東地區(qū)人口密集,生產(chǎn)生活廢水和垃圾較多,處理時(shí)產(chǎn)生更多的CH4[26-27];同時(shí),城市中天然氣管道分布密集,加劇了CH4的排放,導(dǎo)致近地面CH4濃度增大[28],其次,該地區(qū)與能源相關(guān)的工業(yè)眾多,尤其是山西、陜西北部、內(nèi)蒙古中部,雖然不是人口稠密區(qū),但是中國(guó)主要的能源產(chǎn)區(qū),約占全國(guó)煤炭產(chǎn)量的70%,因而CH4濃度較高[29].我國(guó)南方地區(qū)水稻種植面積較多,因而CH4濃度值較高[30-31].然而,珠三角地區(qū)相比其它區(qū)域,CH4濃度較低.原因可能是珠三角地區(qū)科技水平較高,該地區(qū)污水和垃圾處理技術(shù)應(yīng)用更加成熟,同時(shí),產(chǎn)業(yè)以高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)為主,所以該地區(qū)盡管人口密度大,有部分水稻種植,但是近地面CH4濃度并不高.西北、西南地區(qū)CH4濃度較低,主要是這些地區(qū)人口稀少、經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)、甲烷源排放較少[14].

圖2 2009～2019 年中國(guó)近地面CH4 濃度空間分布Fig.2 Spatial distribution of near-surface CH4 concentrations in China from 2009 to 2019

如圖3a 所示,在近11 年中,中國(guó)近地面CH4濃度呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),增長(zhǎng)幅度在7.01～11.76×10-9/a.這些年來(lái),我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,消耗的能源在逐年增加,人們生活水平的提高造成人均產(chǎn)生的垃圾和污水量的增加,導(dǎo)致了CH4排放的增長(zhǎng).其中,近地面CH4濃度值增長(zhǎng)最快的區(qū)域集中在華北、華中、華東地區(qū).主要是因?yàn)檫@些區(qū)域化石能源消費(fèi)較其它區(qū)域增長(zhǎng)較快,同時(shí)人口增加較快導(dǎo)致了CH4濃度增長(zhǎng)較大.青藏高原CH4濃度增長(zhǎng)也表現(xiàn)的較為明顯,原因是在全球氣候變暖的背景下,溫度的升高導(dǎo)致青藏高原冰川和永久凍土層融化,湖泊面積增大,增加甲烷菌的活性、有機(jī)質(zhì)分解的速度,導(dǎo)致CH4濃度的上升.華南地區(qū)的近地面CH4濃度增長(zhǎng)速度最慢,同Zhang 等[4]研究結(jié)果基本一致,主要是因?yàn)樵摰貐^(qū)逐漸由化石能源消耗產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)為新能源等低耗能產(chǎn)業(yè),降低了CH4的排放.圖3b 中,7 個(gè)地區(qū)近地面CH4濃度均表現(xiàn)為增長(zhǎng)趨勢(shì),但在2016～2017年增長(zhǎng)趨于平緩,可能是因?yàn)槊禾慨a(chǎn)量的減少.與Qin 等[16]的研究結(jié)果相比,本研究中CH4濃度區(qū)域差異為 100×10-9,Qin 研究結(jié)果區(qū)域差異在大約50×10-9,由于其研究對(duì)象為CH4大氣總柱濃度,所以可說(shuō)明由于高空大氣中的傳輸流動(dòng)明顯降低了區(qū)域差異,導(dǎo)致近地面CH4濃度空間差異大于總柱濃度差異.

圖3 2009～2019 年中國(guó)近地面CH4 濃度時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.3 Temporal variation of near-surface CH4 concentrations in China from 2009 to 2019

2.3 甲烷濃度的季節(jié)性變化

由圖4a 可見(jiàn),總體上呈現(xiàn)夏季和秋季濃度較高、春季和冬季濃度較低.在不同季節(jié),CH4濃度在東西部之也呈現(xiàn)出差異性,夏秋兩季差異最大,春季差異最小.由圖4b 可見(jiàn),華北、西北、西南地區(qū)近地面CH4平均濃度在夏季達(dá)到最大.主要是因?yàn)樵谌曛?夏季溫度最高,高溫會(huì)增強(qiáng)甲烷菌的活性,導(dǎo)致濕地、垃圾填埋地中甲烷菌大量繁殖,造成CH4的大量排放,青藏高原凍土廣泛,高溫下會(huì)導(dǎo)致凍土融化釋放CH4,同時(shí),高溫促進(jìn)牦牛及其他反芻動(dòng)物的糞便分解,導(dǎo)致大量 CH4排放[32-33].華中、華南、華東地區(qū)近地面CH4濃度秋季達(dá)到最大,究其原因,秋季是一季和雙季晚稻的抽穗揚(yáng)花期,產(chǎn)生較多的CH4排放[34].

圖4 2009～2019 年中國(guó)近地面CH4 濃度的各季節(jié)空間分布Fig.4 Seasonal spatial distributions of near-surface CH4 concentrations in China from 2009 to 2019

如圖5a 所示,冬春兩季全國(guó)整體處于比較低的增長(zhǎng)趨勢(shì),夏秋兩季增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯.青藏高原南部地區(qū)增長(zhǎng)趨勢(shì)高于其周?chē)貐^(qū),尤其在春季表現(xiàn)最為明顯,這與青藏高原對(duì)氣候因子的響應(yīng)更加顯著有關(guān)[35].由圖5b 可見(jiàn),華中及華東地區(qū)在夏秋兩季的增長(zhǎng)趨勢(shì)十分突出,且華中地區(qū)在夏秋兩季增長(zhǎng)趨勢(shì)最大,夏季氣溫增長(zhǎng)快于其它季節(jié)氣溫增長(zhǎng),導(dǎo)致夏秋兩季,微生物活動(dòng)增強(qiáng),稻田、濕地和沼澤中的甲烷排放量增加,進(jìn)一步增加了近地面CH4濃度[36].

圖5 2009～2019 年中國(guó)近地面CH4 濃度的各季節(jié)變化趨勢(shì)Fig.5 Seasonal variation trends of near-surface CH4 concentrations in China from 2009 to 2019

2.4 甲烷濃度變化的因素分析

圖6顯示,2010～2018年,氣溫與近地面CH4濃度的相關(guān)性最強(qiáng),在全國(guó)大部分地區(qū)都表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系,華北和華東地區(qū)正相關(guān)系數(shù)最大.CH4的排放源較多,包括垃圾、污水、稻田、沼澤、凍土等,氣溫的升高會(huì)增大排放源的排放[37].東北、華東、西南等地區(qū)水稻種植面積較大,氣溫升高增強(qiáng)了甲烷菌的活性及有機(jī)質(zhì)分解的速度[38],進(jìn)一步促進(jìn)了CH4的排放;華北、華東地區(qū)濕地、沼澤等分布較為廣泛,氣溫升高加大了其中的CH4的排放,青藏高原凍土廣布,氣溫升高會(huì)導(dǎo)致凍土融化,使得凍土中存儲(chǔ)的CH4大量釋放[35],同時(shí),CH4濃度的升高也會(huì)促進(jìn)氣溫的升高,從而氣溫與CH4濃度表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性.EVI 與近地面CH4濃度在全國(guó)大部分地區(qū)都呈正相關(guān),南方地區(qū)正相關(guān)最大.EVI 指示了植被的生長(zhǎng)狀況,EVI 越大,說(shuō)明植被長(zhǎng)勢(shì)越好[16].南方地區(qū)以水稻種植為主,EVI 越大,表明水稻生長(zhǎng)越旺盛,從而CH4排放越多,所以在南方地區(qū),EVI 與CH4的濃度表現(xiàn)為較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系.夜間燈光與近地面CH4濃度總體相關(guān)較弱,但在長(zhǎng)江中下游地區(qū)、京津冀等地區(qū)表現(xiàn)為較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系.這些地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),人口密度大,資源消費(fèi)高,垃圾及污水量較大,容易排放出大量的CH4,從而表現(xiàn)出一定的正相關(guān)關(guān)系.風(fēng)速與近地面CH4濃度在全國(guó)大部分地區(qū)呈負(fù)相關(guān).風(fēng)速會(huì)影響空氣的流動(dòng)速率,風(fēng)速越大會(huì),導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)的CH4擴(kuò)散更快,從而降低了CH4濃度.土壤濕度與近地面CH4濃度在我國(guó)大部分地區(qū)呈正相關(guān),尤其在長(zhǎng)江以南地區(qū).土壤濕度越高,越利于形成厭氧環(huán)境,促進(jìn)CH4菌群繁殖生長(zhǎng),加大CH4氣體的產(chǎn)生和排放[39-40].降水與近地面CH4濃度在大部分地區(qū)相關(guān)性不強(qiáng),僅僅在長(zhǎng)江中下游及云南等部分地區(qū)表現(xiàn)為較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系.

圖6 中國(guó)近地面CH4 濃度與影響因素相關(guān)性分布Fig.6 Distribution of correlations between near-surface CH4 concentrations and influencing factors in China

分別利用特征重要性排序和偏依賴(lài)關(guān)系(圖7)對(duì)影響因子進(jìn)行了解釋.各影響因素的重要性依次為氣溫(0.508)、植被(0.304)、夜間燈光(0.252)、風(fēng)速(0.244)、土壤濕度(0.156)、降水(0.106).氣溫對(duì)近地面CH4濃度的影響作用最強(qiáng),大致呈現(xiàn)線性關(guān)系,隨著氣溫的升高,氣溫對(duì)CH4濃度的影響作用逐漸增強(qiáng),當(dāng)超過(guò)17℃,影響作用趨于平緩.我國(guó)在夏秋兩季溫度最高,近地面CH4濃度也處于一年中最高的時(shí)期,同時(shí),近地面CH4濃度增長(zhǎng)在夏秋兩季表現(xiàn)最快,可見(jiàn)近地面 CH4濃度對(duì)溫度的響應(yīng)作用強(qiáng)烈.EVI 的影響作用僅次于氣溫,當(dāng)超過(guò)0.15 影響作用快速增強(qiáng),超過(guò)0.23 影響作用達(dá)到最大.秋季植被旺盛,EVI 較大,同時(shí)水稻處于抽穗揚(yáng)花期時(shí),CH4排放量增大,導(dǎo)致了秋季南方地區(qū)近地面CH4濃度高于其它季節(jié)及地區(qū).夜間燈光作為第3 重要的影響因素,大致以100為閾值,0～100之間影響作用急劇增強(qiáng),超過(guò)100 之后影響作用趨于平緩.夜間燈光可以代表人口密度和工業(yè)化水平,華東、華北、華中地區(qū)人口密集工業(yè)發(fā)達(dá),也是近地面CH4濃度高值集中區(qū)域.風(fēng)速作為第4 重要的影響因素,對(duì)CH4濃度的影響呈先增加后降低,在2.5m/s 時(shí)影響作用最大,冬春季風(fēng)速較大,表現(xiàn)為冬春季CH4濃度低于其它季節(jié).土壤濕度和降水的影響作用較小,土壤濕度的影響作用大致呈平緩的正線性關(guān)系.

圖7 影響因素對(duì)近地面CH4 濃度的偏依賴(lài)Fig.7 Partial dependency plots for the factors in the RF model predicting near-surface CH4 concentrations

中國(guó)近地面CH4濃度多年增長(zhǎng)趨勢(shì)高值中心相較多年平均濃度高值中心整體向南偏移以及東北地區(qū)的變化,主要受到各地經(jīng)濟(jì)和政策影響,如:長(zhǎng)江中下游地區(qū)經(jīng)濟(jì)水平高吸引大量勞動(dòng)者的流入,近些年來(lái)東北人口大量外流,能源政策的調(diào)整等等,量化這些因素的影響作用仍需進(jìn)一步研究.本文的不足主要由于數(shù)據(jù)空間分辨率較低,對(duì)于一些局部CH4濃度高值區(qū)域不能識(shí)別.CH4濃度及其影響因素都存在空間異質(zhì)性,未來(lái)可采用高分辨數(shù)據(jù)探究各地區(qū)CH4濃度變化的主要驅(qū)動(dòng)因子以及不同土地利用類(lèi)型對(duì)CH4濃度的影響.

3 結(jié)論

3.1 GOSAT 衛(wèi)星近地面CH4濃度數(shù)據(jù)與地面站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果良好,瓦里關(guān)站R=0.656(P<0.01),上甸子站R=0.565(P<0.01),香格里拉站R=0.669(P<0.01).表明該產(chǎn)品可以反映近地面CH4濃度.

3.2 中國(guó)近地面甲烷濃度空間分布差異化明顯,總體呈現(xiàn)東高西低的特點(diǎn).高值區(qū)域集中在華北、華中、華東地區(qū),低值區(qū)域分布在西北、西南地區(qū).在2009～2019年,全國(guó)各個(gè)地區(qū)的近地面CH4濃度都在不斷增加.但是,各個(gè)地區(qū)之間的增長(zhǎng)幅度呈現(xiàn)差異化,在華中、華東地區(qū)增長(zhǎng)趨勢(shì)最大,其他地區(qū)增長(zhǎng)趨勢(shì)相對(duì)較緩.

3.3 中國(guó)近地面CH4濃度在不同的季節(jié)呈現(xiàn)的特征不同.總體呈現(xiàn)夏季兩季濃度較高,春冬兩季濃度較低的特點(diǎn).在多年各個(gè)季節(jié)的變化趨勢(shì)中,在春冬兩季全國(guó)各個(gè)地區(qū)之間增長(zhǎng)趨勢(shì)差異不大,而在夏秋兩季各地差異明顯,華北、華東、華中地區(qū)增長(zhǎng)趨勢(shì)高于其他地區(qū).

3.4 在本文選擇的6 個(gè)影響因素中,中國(guó)大部分地區(qū)的近地面CH4濃度與氣溫、植被、夜間燈光、土壤濕度、降水呈正相關(guān),與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān).對(duì)近地面CH4濃度的影響作用從大到小依次為:氣溫、植被、夜間燈光、風(fēng)速、土壤濕度、降水.