基于地面监测和卫星遥感的中国大气甲烷浓度时空分布及其对人为排放的响应

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甲烷(CH4)是仅次于二氧化碳(CO2)的第二大人为温室气体,同时还会影响其他温室气体丰度,进而加剧全球变暖趋势。然而,全球平均大气CH4浓度年际变化极不规律,近年来更是呈现不断攀升趋势。现阶段对大气CH4浓度变化的原因仍未了解清楚,CH4源汇研究尚存很大局限性和不确定性。中国是全球CH4人为排放大国,同时位于CH4浓度高值区,了解并掌握中国大气CH4浓度时空分布及其驱动机制对于完善CH4源汇平衡、科学有效制定CH4减排政策、实现1.5℃温控目标、减缓区域乃至全球气候变化具有重要意义。本研究基于地面站点和卫星遥感观测的CH4浓度资料,结合区域人类活动、气象条件和自然环境要素,客观分析我国大气CH4浓度的时空变化规律,并基于EDGAR清单开展了我国CH4人为排放的时空分布格局及其对CH4浓度的驱动作用探究。本研究的主要结论如下:(1)基于中国3个大气本底站(北京上甸子站[SDZ]、台湾鹿林站[LLN]、青海瓦里关站[WLG])地面观测资料,选取全球大气本底站(美国夏威夷莫纳罗亚站[MLO])监测数据作为对比,结果表明WLG站(R=0.92,P<0.01)和LLN站(R=0.89,P<0.01)大气CH4浓度与MLO站高度相似,并于2007年之后呈现快速增长趋势;SDZ站(R=-0.01)大气CH4浓度与MLO站存在很大差异,且站点CH4浓度全年季节和月离散度波动较大,表明城市背景下大气CH4浓度的变化更加复杂。此外,各站点CH4浓度表现为SDZ站(1948.43±39.20 ppb)>WLG站(1873.17±14.29ppb)>LLN站(1846.04±24.09 ppb)>MLO站(1825.12±15.23 ppb),进一步证实中国大气CH4浓度高于全球平均水平。相对于气温和风速而言,降水量对站点CH4浓度的影响程度更高;局地人为排放对部分站点CH4浓度具有显著正向效应。(2)Sentinel-5P卫星遥感反演产品显示2018年中国大气CH4浓度具有明显的空间聚集和时间变化特征。空间上,CH4浓度范围为1779.80~1928.53 ppb,高值区集中在塔里木盆地、吐鲁番盆地、华北平原、长江中下游平原和四川盆地;低值区则分布在青藏高原和东北北部地区。不同土地利用类型中,不透水面(1875.28±13.62 ppb)和农田(1867.48±13.56 ppb)下的CH4浓度均值及稳定程度最高。山西和西藏存在CH4高浓度高波动敏感区,并推测与煤炭开采及冰川和冻土融化有关。时间上,CH4浓度季节平均值表现为秋季(1863.87±17.68 ppb)>夏季(1857.53±16.29 ppb)>冬季(1843.43±26.70 ppb)>春季(1841.09±27.15 ppb),且以中南地区夏秋季CH4浓度为最高。青藏高原作为全国低值区,其CH4浓度在夏季(1845.04±14.21 ppb)和秋季(1849.32±14.67 ppb)出现明显上升。(3)基于地理探测器模型的大气CH4浓度影响因素分析结果显示,8个驱动因子对CH4浓度空间分布的解释力为气温(0.74)>高程(0.60)>国内生产总值(0.41)>人口数量(0.35)>日照时数(0.20)>降水量(0.15)>增强型植被指数(0.13)>风速(0.08),且气温和高程的交互作用对CH4浓度空间分布的解释力最强(0.82),与上述因子引发的CH4源汇变化有关,而社会经济因素对我国东北及西部地区CH4浓度空间分布的解释力最弱。(4)1970~2018年中国CH4人为排放具有明显的时空演变规律。年际变化上,大致分为4个阶段,即缓慢增长的低值阶段(0.69%)(1970~2001年)、高速增长的中值阶段(3.18%)(2002~2010年)、缓慢增长的高值阶段(0.73%)(2011~2014年)、缓慢下降的高值阶段(-0.67%)(2015~2018年)。空间分布上,以黑河—腾冲线为界,呈现出东高西低的分布格局,且CH4人为排放重心已由湖北省转移至河南省境内。长期趋势上,我国大部分地区CH4人为排放呈上升状态,兼具正向持续性,上升和下降幅度最大区域分别为华北平原和东南地区。从CH4浓度对人为排放的响应上看,东部地区具有明显高排放高浓度特征,青藏高原和东北北部地区具有明显低排放低浓度特征,而新疆三大盆地(塔里木、准格尔和吐鲁番盆地)则表现出低排放高浓度的异常现象,存在油气系统CH4排放被低估的可能。2018年中国CH4人为排放总量达6448.10万吨,其中能源活动排放占有很大比重(40.77%),其次是农业活动排放(34.75%),最后是废弃物处理排放(24.48%)。
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