全球和东亚地区CH4浓度时空分布特征分析

张绍会,谢 冰,张 华*,周喜讯,王秋艳,杨冬冬

全球和东亚地区CH4浓度时空分布特征分析

张绍会1,2,谢 冰3,张 华1,2*,周喜讯2,王秋艳1,杨冬冬1

(1.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044；2.中国气象科学研究院,灾害天气国家重点实验室,北京 100081；3.中国气象局气候研究开放实验室,国家气候中心,北京 100081)

利用最新的AIRS卫星观测资料分析了2002年12月~2016年11月全球和东亚地区(70°~140°E, 10°~55°N)CH4浓度的时空变化分布特征.研究发现,2003~2016年,全球CH4年平均浓度从1774.2×10-9增加到1789.1×10-9,年增长率约为1.1×10-9/a;东亚地区CH4年平均浓度从1811.5×10-9增加到1841.0×10-9,年增长率约为2.0×10-9/a.在美国西南部、南美洲南部、澳大利亚东南部、中国青藏高原和东北地区等地上空,CH4浓度增幅比较明显,而在北美洲的东北部上空,CH4浓度出现负增长.北美洲东北部和俄罗斯东部等地上空CH4浓度的变化与温度变化呈正相关;如在冬季,该地区温度与周围地区相比更低,同时CH4浓度更低.本文利用近10a的卫星数据获得了CH4浓度的垂直廓线,显示不同纬度带CH4浓度均随着高度的升高逐渐减小,且高纬度地区CH4浓度减小的最快.近年来,在低纬度地区对流层中低层CH4浓度变化较为明显.在对流层低层(850hPa),北半球CH4浓度随着纬度增加逐渐变大;在南半球则随着纬度增加先减小后变大.而在平流层内,CH4浓度在赤道处最大,且随着纬度的升高逐渐减小.此外,CH4的浓度分布存在明显的季节变化:在北半球,大部分地区夏季CH4浓度高于冬季(约20×10-9~40×10-9),但在撒哈拉沙漠和中国新疆塔里木盆地等地区上空,冬季CH4浓度高于夏季(约40×10-9~60×10‑9).在冬季,中国四川西部上空的CH4浓度要比青藏高原上空高(约100×10-9~120×10-9).

AIRS；CH4；时空分布；季节变化

CH4作为仅次于CO2的最重要的温室气体,其浓度的增加,对地-气系统具有显著的加热作用[1]; CH4在大气中的浓度虽然不及CO2的1%,但是其辐射效率(3.63×10-4(W/m2)/10-9)却是CO2(1.37× 10-5(W/m2)/10-9)的 26.5倍[2-3].大气中CH4浓度的变化主要取决于CH4的源和汇.CH4的排放源主要包括自然源(湿地、海洋、冻土带和生物质腐烂等)和人为源(水稻田、家畜排放、化石燃料不完全燃烧、天然气开采和垃圾填埋等).其中,人为源约占全球CH4排放的60%以上[4].CH4的排放源主要为地面源;除了一部分被海洋和土壤微生物吸收[5-6],其他全球CH4排放总量的90%在对流层耗散,其中,80%在对流层低层大气中耗散,只有10%向上输送到平流层[7].虽然在20世纪80年代,大气中CH4浓度增速减缓[8],但是在2016年,全球大气中CH4平均浓度达到1853×10-9,打破了2015年的1845×10-9的历史最高记录,达到工业化前(1750年)水平的257%[9].

目前对大气中CH4浓度的监测手段主要有地基、空基和卫星遥感探测3种.地基观测拥有观测时间序列长,数据可靠性较高等优势,但是受到环境限制,拥有一定的空间局限性;空基探测的优势在于能够实时探测高空尤其是对流层中上层乃至平流层来获得数据,但是其使用成本高昂,造成探测时间序列短;而卫星遥感探测不仅兼具前两者的优势,同时监测范围更广,还能弥补地基和空基观测的不足;并且基于该方面的研究取得了一定成果[10-11].现在常用的CH4观测卫星主要有SCIMACHY、GOSAT、AIRS和IASI等.如Bergamaschi等[12]和Webb[13]发现CH4大量排放主要归因于热带地区湿地排放;Crevoisier等[14]和Xiong等[15]均发现南亚地区夏季的CH4烟羽现象;Yang等[16]发现CH4的排放和浓度水平受温度的影响大于降水;Zhang等[17]用不同卫星资料与地基观测进行对比,发现AIRS与地基观测相关性最高;张兴赢等[18]和王红梅等[19]验证了中国地区AIRS反演的CH4资料与地基观测资料误差在2%.由于关于CH4浓度长期时空变化的分析还有所欠缺,因此本文利用AIRS最新的 CH4观测数据进行全球范围内长时间序列的分析,并进一步研究东亚地区(70°~140°E,10°~55°N) CH4浓度的时空分布和季节变化特征.

1 数据介绍

研究所用的卫星资料来自于搭载在Aqua卫星上的大气红外探测器(AIRS).AIRS采用多孔径,梯阶红外光栅阵分光技术对来自地球大气和地表的红外光进行观测与分析;该探测器观测的红外光谱区域覆盖650~2700cm-1,并分为2378个通道, AIRS的光谱分辨率(/Δ)的均值约为1200,分为3个波段:3.74~4.61,6.20~8.22和8.80~15.4μm,覆盖了7.66μm的CH4探测带.AIRS每天的观测可覆盖全球2次.本文利用的是AIRS观测的2002年12月~2016年11月的AIRX3STM数据集(经过科学数据处理后的大气中CH4月平均观测数据. URL: https://airs.jpl.nasa.gov/data/get_data),水平分辨率为1°×1°. CH4浓度在对流层中垂直混合是不均匀的,本文选择对流层中低层范围为1000~400hPa.由于人类活动主要集中在北半球,所以本文采用北半球的季节变化为标准,即春季期为3~5月;夏季期为6~8月;秋季期为9~11月;冬季期为前一年12月到当年的2月.赤道和南半球以月份代表季节变化.

2 分析和讨论

2.1 CH4浓度时空变化分布

从2003~2016年,近地面全球CH4平均浓度逐年增加(图1),从 1774.2×10-9增加到1789.1×10-9,年增长率约为1.1×10-9/a.在东亚地区,CH4年平均浓度从1811.5×10-9增加到1841.0×10-9,年增长率约为2.0×10-9/a,东亚地区的年增长率高于全球.2003~ 2006年,全球CH4平均浓度增长缓慢,该现象与全球分布的本底站观测相吻合[20-21]. 2007~2010年,东亚地区(70°~140°E,10°~55°N)CH4平均浓度先增长后减小,在2009年达到峰值,其浓度约为1858.5×10-9,这与中国本底站观测数据一直处于逐年增长的趋势不同[22].2011~2016年,是CH4浓度的快速增长期,这与地基观测资料相一致[23].2016年东亚地区地表CH4浓度达到1871.1×10-9,是1990年以来浓度最大值[24];对于全球,在2006年后大气CH4浓度再次呈现上升趋势,上升的原因可能是湿地以及北半球中纬度地区人为源的CH4排放增加.对于东亚地区,CH4浓度的快速增长可能是由于近年中国经济的高速发展,人类活动增强所致,如养牛数目的增多、水稻种植面积的增加和化石燃料消耗增多等,但在2008年出现全球性的经济危机,使得东亚地区的经济增长出现减缓,人类活动有所减弱.根据资料显示,仅中国地区,天然气消费量的增长率由2008年的15.8%下降至2009年的9.4%[25-26],到2010年,其增长率达到21.8%[27].此外,东亚地区CH4的年平均浓度均高于全球同期平均水平.

图1 2003~2016年全球和东亚地区近地面CH4浓度变化趋势

图2 2003~2016年CH4浓度增长率的全球分布

CH4平均浓度在全球中低纬度地区均出现不同程度的增长(图2),其中在夏季增幅最为明显(见图3).这是因为:①降水增多,导致湿地面积的增大,并且温度的升高,有助于CH4通量的增加;②水稻在夏季的生长较为旺盛;导致CH4排放的增多;③中高纬度地区拥有广袤的冻土带,随着温度的升高(尤其是夏季),冻土带逐渐变为碳源[28].而且在不同季节变化中,青藏高原增长率均比较大(图3).在北半球,CH4平均浓度增幅较明显的区域主要位于北半球中纬度地区,如北美洲西南部、北欧地区、中东地区、青藏高原和东北地区等地上空的CH4浓度增加较为明显(增长率3×10-9~7×10-9/a).北美地区CH4浓度的快速增长与近年来美国加大对西南部页岩气的开发力度,致使地下煤层中的天然气发生泄漏有关[29-30],而北欧地区CH4浓度的快速增长则主要是由于全球变暖的加剧导致北极圈中冰川、苔原和冻土融化、海洋永冻层消退释放大量CH4造成的(海冰表面存在着吸收和消耗CH4的过程)[31-33].在南半球,CH4平均浓度增幅较大的区域主要位于中纬度地区,如澳大利亚东南部和南美洲南部等地上空.澳大利亚东南部特殊的湿地结构和气候条件造成该地区呈现季节性湿地[34](雨季降水充沛,湿地面积变大;旱季降水稀少,湿地面积干涸减小),在全球变暖的情况下,由于温度升高和降水增多,因湿地面积变化导致CH4的排放增多[35];南美洲南部温带草原牧场广阔,畜牧业发达,牲畜通过生物作用向大气中排放大量的CH4(畜牧业排放的CH4占全球总量的1/3)[36-37].东北地区是中国的粮仓,随着水稻种植面积的不断扩大[38],导致产生的CH4增多;同时该地区属于中国的重工业和能源基地,尤其是以石化资源开发及加工生产为主,该地区有一部分CH4浓度的增加也是工业活动造成的.而青藏高原地区CH4浓度的明显增加主要是由以下几点造成的:①青藏高原地势较高,四川盆地和云南等地的植被和草原产生的CH4通过大气流动向上输送到青藏高原上空,并在此积累[39];②青藏高原畜牧业发达,牲畜释放产生的CH4也成为不可忽视的原因之一[40-41];③由于全球变暖,不仅导致冻土带和冰川融化缓慢释放冻结中的温室气体[42],还促使植物和微生物的活动增强,产生更多的CH4气体(青藏高原草甸等植物会释放CH4气体)[43-44].在赤道和高纬度地区上空,CH4浓度的增长率非常小(0~1×10-9/a).这主要是由于赤道地区植被和泥炭土地对CH4的吸收能力增强,使该地区CH4浓度减少[45-46].然而对于高纬度地区而言,可能与温度变化影响有关.

图3 2003~2016年CH4浓度季节增长率

2.2 CH4纬度分布变化

图4 2003年和2016年纬向平均的CH4浓度廓线

CH4的平均浓度会因为纬度和大气压力层的不同而存在着空间上的差异(图4).同纬度地区,全球CH4平均浓度随着高度的增加而逐渐减小.在对流层中低层,CH4纬向平均浓度呈不对称分布,即北高南低的分布特征.对流层中层CH4平均浓度变化最为显著(图4(b)),在低纬度地区,其对流层中低层在2016年的CH4平均浓度明显高于2003年(45×10-9~ 70×10-9),并且在中低纬度地区,其对流层中低层CH4平均浓度变化也非常明显.这与人类活动增强密切相关.仅在2016年,北半球中低纬度地区消耗石化资源占全球的74.9%以上,其中天然气占消耗石化资源的27.6%[47].

全球各纬度地区的CH4浓度廓线变化趋势基本一致(图5),均随着高度的升高逐渐降低.但是CH4浓度在不同高度的变化不同.在对流层中低层,高纬度地区CH4浓度最大,而低纬度地区最小;在对流层中上层乃至平流层,低纬度地区CH4浓度最大,而高纬度地区最小.

图5 2007~2016年全球不同纬度地区CH4平均浓度廓线

2.3 对流层中低层CH4浓度全球分布

图6 850hPa处, 2003~2016年全球CH4平均浓度分布

图7 850hPa处, 2003~2016年全球CH4浓度分布

在北半球(图6),大部分地区CH4平均浓度随着纬度的增加而增加;而在南半球,CH4浓度则随着纬度的增加而呈现不规则的变化,且北半球CH4平均浓度高于南半球.CH4的全球分布呈现明显的季节变化(图7).在北半球,大部分地区夏秋季CH4平均浓度最大,春冬季最小,变化较大区域出现在中高纬度地区.由于湿地是CH4的主要排放源之一[48],加拿大、北欧和俄罗斯西伯利亚地区拥有大量的淡水湿地.在北美洲东北部和俄罗斯东部等地上空的CH4平均浓度变化与温度变化相关.在冬季(图8),上述地区温度更低,CH4平均浓度(图7)也明显低于北半球其他高纬度地区.原因是加拿大和西伯利亚北极大陆架遍布富含CH4的永久冻土层,冻土带是一个庞大的温室气体来源,且易受到全球气候变化的影响.冻土带既担当碳源的作用,也起着冷冻贮藏CH4的作用.随着全球变暖的加剧,冻土融化所释放的CH4未经氧化便直接扩散至大气层中,加剧全球温室效应(根据Cooper等[49]评估,由此释放到大气中的CH4贡献辐射强迫约占全球总量的1/4).在南半球,在6、7和8月份(南半球冬季),CH4平均浓度达到最大,而在12月份至来年1、2月份(南半球夏季),其浓度达到最小,并且CH4浓度变化在澳大利亚中部较明显.在12月份~次年1、2月份,澳大利亚属于夏季,澳大利亚大陆夏季比海洋升温快(约为8~12℃)(图8),形成低压中心,CH4浓度受到海洋风的影响扩散到其他地方,而在冬季,澳大利亚大陆比海洋降温快(约为6~12℃)(图8),形成高压中心,此时,大陆上空的CH4不易扩散.

图8 850hPa处, 2003~2016年全球温度分布

2.4 东亚地区对流层中低层CH4分布

图9 2003~2016年东亚地区CH4年平均浓度及其增长率的空间分布

在东亚地区上空,CH4平均浓度随着纬度的增加呈现不规则变化(图9(a)).中国北方地区和四川西部等地区上空的CH4浓度较高,平均浓度可达1850.0×10-9~1880.0×10-9,且东亚地区CH4浓度增长率要高于全球平均水平.黑龙江地区,丰富的石化资源的开采利用过程中会造成CH4浓度增加;同时,黑龙江水稻的种植面积占全国总量的10%以上[50].青海上空CH4浓度约1830×10-9~1850×10-9,这是因为其不仅拥有中国最大的湿地保护区(占中国湿地总面积的15%以上),同时还是全球影响力最大的生态调节区.新疆地区上空CH4浓度较高(1840×10-9~ 1860×10-9)是由于其较发达的畜牧业和天然气过度开发等2种原因造成的.而四川上空CH4浓度较高(1820×10-9~1860×10-9)是受到了天然气开发和森林植被的影响,该地区是我国天然气最早开发地区,其天然气资源量约占中国的10%~20%[5].在青藏高原上空,虽然其CH4浓度较低(1770×10-9~1790×10-9).但是其增长率比较大(约4×10-9~6×10-9/a)(图9(b)),这与其地理位势有关.

图10 2003~2016年东亚地区CH4浓度季节变化

东亚地区CH4浓度的分布呈现明显的季节变化(见图10).其中,中国大部分地区CH4浓度在夏秋季最大,春冬季最小.在夏秋季CH4浓度最大,这和水稻种植有关,中国是全球最大的水稻种植国,种植区域主要集中在南方和东北地区,其中湖南、江苏、江西、广东和湖北等地占全国稻田总排量的60%[52],夏秋季温度高,水稻田产生的CH4较多.在冬季,青藏高原上空的CH4浓度低于四川西部.在青藏高原东南部和四川西部,CH4排放受植被季节变化和天然气开采影响较大;四川省在全国CH4排放量初步估计中最高,而且青藏高原地势较高,拥有大量的冻土带,随着冬季温度的下降,冻土带此时成为一个巨大的碳汇.在新疆上空,冬季CH4平均浓度要高于夏季.主要原因:①该地区是中国天然气和石油开发的重点区域(“西气东输”工程),并且随着冬季供暖等加强,导致该地区天然气等石化资源消耗较大,造成CH4排放增多[53];②新疆地区是中国牛肉和牛奶生产大区,其中奶牛数量约占全国20%以上(秋冬季是牛的生长旺季)[54].

3 结论

基于AIRS观测得到的CH4资料(2002.11~ 2016.11),分析了全球和东亚地区CH4浓度的时空变化和季节变化特征,得到以下主要结论:

3.1 AIRS卫星资料和地面WMO大气本地站的观测资料进行对比,均显示出较高的可靠性.其结果显示:2003~2016年,AIRS(全球)年均值与观测资料相对误差均不超过2%.

3.2 2003~2016年,近地面全球CH4平均浓度有明显增加,且东亚地区的平均增长率高于全球.近年来,在美国的西南部、亚洲的中部和东部、澳大利亚西南部和南美洲的南部等地上空,CH4浓度增幅比较明显.在冬季,在北美洲北部和俄罗斯东部等地,CH4浓度的变化与温度呈正相关.在低纬度地区,对流层中低层CH4浓度有明显的增加.而且,不同纬度带的CH4浓度随着高度的升高而逐渐减小.

3.3 在对流层低层(850hPa),北半球大部分地区的CH4浓度随着纬度的增加而逐渐变大,在南半球,CH4浓度随纬度的增加呈现先变小后变大的趋势,且北半球CH4浓度高于南半球.在北半球,大部分地区CH4浓度在夏秋季最大,在春冬季最小.同时,在撒哈拉沙漠和中国新疆等地上空,冬季的CH4浓度高于夏季,而在冬季,中国四川西部上空的CH4浓度要比青藏高原上空高.在南半球,CH4的浓度在6、7和8月份(南半球的冬季)达到最大,而在12月份至次年的1、2月份(南半球夏季)达到最小;在平流层中,CH4浓度由赤道向两极递减.

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致谢：感谢NASA提供的AIRS相关卫星资料.

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

张绍会(1991-),男,河南濮阳人,南京信息工程大学硕士研究生,主要从事温室气体观测研究分析.发表论文1篇.

2018-04-27

国家自然科学(重点)基金资助项目(91644211,41575002);国家重点研发计划(2017YFA0603502)

* 责任作者, 研究员, huazhang@cma.gov.cn