关于《中国瓦里关和上甸子大气温室气体浓度变化特征》研究的学术报告

第一， 研究作者、机构及发表信息 本研究由张林、靳孟贵（通讯作者）、刘延锋、梁杏、杨世琪、鲜阳共同完成。作者单位主要来自中国地质大学（武汉），其中张林、靳孟贵、刘延锋、梁杏、鲜阳隶属于环境学院，杨世琪隶属于地球科学学院。该研究发表于期刊《地球科学》（Earth Science）2021年8月出版的第46卷第8期。

第二， 学术背景与研究目的 本研究属于大气科学、环境科学及气候变化研究领域。随着全球工业化进程加速，大气中主要长寿命温室气体（如二氧化碳CO₂、甲烷CH₄、氧化亚氮N₂O和六氟化硫SF₆）浓度急剧增加，成为驱动全球变暖和引发极端气候事件的主要人为因素。中国作为温室气体排放大国，其排放活动对区域乃至全球气候产生了深刻影响。因此，系统研究中国典型区域大气温室气体的长期变化特征、季节规律及影响因素，对于科学制定减排政策、评估气候变化风险至关重要。

尽管已有研究对中国部分大气本底站的CO₂和CH₄进行过分析，但存在时间序列较短、对N₂O和SF₆长期变化关注不足、以及对多种温室气体浓度变化的关联性及潜在来源综合探讨较少等局限。基于此，本研究旨在利用更长时间序列的观测数据，系统分析中国两个具有代表性的国家大气本底站——青海瓦里关全球大气基准站和北京上甸子区域大气基准站——大气中CO₂、CH₄、N₂O和SF₆四种关键温室气体的浓度变化。具体目标包括：1) 揭示1997-2018年（瓦里关）和2009-2015年（上甸子）期间四种温室气体的年际增长趋势和季节变化特征；2) 运用统计方法检验浓度时间序列的突变点；3) 分析不同温室气体浓度之间的相关性以探讨其潜在同源性；4) 结合气象轨迹模型，探究季风远距离输送和大气边界层条件对观测站点温室气体浓度的潜在影响。

第三， 详细研究流程与方法 本研究是一个基于长期观测数据的分析性研究，其工作流程主要包括数据获取与质量控制、时间序列特征分析、相关性分析以及后向轨迹模拟四个主要环节。

1. 数据获取与质量控制： 研究选取了世界气象组织（WMO）全球大气监测计划（GAW）框架下的两个中国本底站：青海瓦里关站（全球站）和北京上甸子站（区域站）。研究使用的数据为瓦里关站1997-2018年、上甸子站2009-2015年的大气CO₂、CH₄、N₂O和SF₆月平均浓度值，均从WMO世界温室气体数据中心（WDCGG）下载。这些数据是通过每周一次的烧瓶采样，并送至中国气象局温室气体实验室以及美国国家海洋和大气管理局地球系统研究实验室全球监测实验室（NOAA/ESRL/GML）进行比对分析获得。采样和分析过程均遵循WMO/GAW推荐的标准方法，例如在特定时间（瓦里关在早晨，上甸子在下午）采样以避免局地人为活动干扰，并对采样瓶进行严格的真空测试和冲洗，确保了数据质量符合国际标准，代表了区域乃至全球的大气本底状况。

2. 时间序列特征分析： 此环节包含趋势性分析和突变性检验。 * 线性趋势分析法： 用于量化温室气体浓度随时间的变化趋势。该方法建立浓度（xi）与时间（ti）的一元线性回归方程（xi = a + b ti），通过最小二乘法估计回归系数b，b值即为年平均增长率。此方法直观地展示了四种温室气体在观测期间的增长速率。 * 曼-肯德尔突变检验法（Mann-Kendall mutation test）： 这是一种非参数统计检验方法，用于检测时间序列中是否存在统计意义上显著的突变点。研究计算了顺序序列（UFk）和逆序序列（UBk）的统计量。当UFk值超过显著性水平临界线（如±1.96对应0.05显著性水平），表明存在显著变化趋势；若UFk与UBk两条曲线出现交点，且交点在临界线之间，则该交点对应的时间可能为突变开始点。该方法被用来判断温室气体浓度增长趋势是否在特定年份发生了突变。

3. 相关性分析： 为了探究不同温室气体之间是否存在同源或关联的排放或清除过程，研究计算了瓦里关和上甸子两站四种温室气体月浓度值之间的皮尔逊相关系数（Pearson correlation coefficient）。分析不仅针对全年数据，还分春、夏、秋、冬四个季节进行，以考察不同气象和生态条件下气体间关系的稳定性。高且显著的正相关系数可能暗示它们受到共同或关联的来源或传输过程影响。

4. 后向轨迹模拟分析： 为了解影响观测站点温室气体浓度的气团来源和输送路径，研究采用了由美国国家海洋和大气管理局（NOAA）和澳大利亚气象局联合开发的混合单粒子拉格朗日综合轨迹模型（HYSPLIT）。研究以2015年为例，模拟了瓦里关和上甸子站每个月在100米、500米和1000米离地高度上，为期120小时（5天）的气团后向运动轨迹。通过分析这些轨迹的起源和路径，可以识别影响本站点的潜在源区分布，并评估不同高度（代表近地面、边界层过渡区及自由大气下边界）气团输送的差异，从而区分局地排放和远距离输送的贡献。

第四， 主要研究结果 1. 时间序列与增长趋势结果： 数据分析明确显示，瓦里关和上甸子两站大气中CO₂、CH₄、N₂O和SF₆浓度在观测期内均呈现显著的逐年增长趋势，并伴有明显的季节性周期。 * 瓦里关站（1997-2018）： CO₂、CH₄、N₂O和SF₆的年平均增长率分别为2.06 ppm/年、5.06 ppb/年、0.82 ppb/年和0.26 ppt/年。其2018年的平均浓度均高于同年全球平均值。 * 上甸子站（2009-2015）： 四种气体的年平均增长率分别为0.90 ppm/年、5.04 ppb/年、0.83 ppb/年和0.25 ppt/年。与同期瓦里关相比，上甸子的CO₂和CH₄增长率较低，而N₂O和SF₆增长率相近。

2. 季节变化特征结果： 两站温室气体浓度表现出鲜明且有差异的季节变化模式。 * CO₂： 两站均在春季（3-4月）出现浓度峰值，在夏季（8月）降至谷值。上甸子站的季节振幅（22.07 ppm）远大于瓦里关站（10.09 ppm），反映了华北平原强烈的人类活动（冬季供暖排放）和夏季植被光合作用消耗的共同影响。 * CH₄： 与CO₂相反，两站CH₄浓度均在夏季（8月）达到峰值。瓦里关夏季峰值可能与青藏高原夏季放牧活动及来自工业区的远距离输送有关；上甸子夏季峰值则主要归因于高温多雨条件下京津冀地区湿地、农田等生物源排放增强。 * N₂O： 瓦里关站在冬季（12月）最高，夏季（6月）最低；而上甸子站在夏季（7月）最高，秋季（9月）最低。两者季节差异可能与局地源、大气光化学消耗过程（如夏季OH自由基浓度高）以及输送路径的季节差异有关。 * SF₆： 两站四季差异相对不大，瓦里关在9月最高、4月最低；上甸子在8月最高、10月最低。其浓度主要受人类工业活动排放的长期影响，季节波动较小。

3. 突变检验结果： * 瓦里关站： M-K检验表明，CO₂、N₂O和SF₆从2000年开始呈现极其显著的增长趋势（UF值超过0.001显著性水平）；CH₄在2003年之后增长趋势变得十分显著。这与中国西部大开发战略实施后，周边地区工业化和经济发展加速的时间点相吻合。 * 上甸子站： CO₂浓度从2012年开始发生显著性突变并快速增长；CH₄在2014-2015年间可能出现趋势突变；N₂O和SF₆则在2012年左右呈现明显的增长突变。2012年前后是中国“十二五”规划关键期，社会经济快速发展，能源消费和温室气体排放量创新高，这可能是导致突变的重要原因。

4. 相关性分析结果： * 瓦里关站： 全年及四季，四种温室气体两两之间均呈现高度显著的正相关关系（Pearson相关系数多在0.90以上）。这表明在人为干扰较少的青藏高原地区，温室气体的变化可能主要受共同的陆地生态系统过程和大尺度环流输送控制，同源性较好。 * 上甸子站： 相关性表现出季节差异。春季和冬季，温室气体间（尤其是CO₂、CH₄、N₂O）存在较显著的正相关，可能与取暖期化石燃料燃烧这一共同源有关。夏季和秋季，CO₂与CH₄等相关性不显著甚至为负，这可能是因为夏季强烈的光化学过程（OH自由基）会消耗CH₄而产生CO₂，以及不同生物源排放的季节性主导差异所致。值得注意的是，N₂O和SF₆在所有季节都保持高度正相关，表明它们主要受人为排放活动影响。

5. 后向轨迹分析结果： * 瓦里关站： 全年气团主要来自西北方向，潜在源区集中于青海、西藏、新疆等地。夏季（5-9月）源区范围扩大至甘肃、内蒙古等地。冬春季源区集中，夏秋季相对分散。 * 上甸子站： 气团来源主要有两个方向：主导的西北/东北路径和次要的南部/东南路径。潜在源区分布较广，包括京津冀本地、内蒙古及东北地区。不同高度轨迹表明，100米高度主要反映局地影响，500米高度反映局地与远距离输送的混合，1000米高度则更多代表区域或远距离输送。

第五， 研究结论与价值 本研究系统揭示了我国瓦里关和上甸子两个典型大气本底站四种主要温室气体（CO₂、CH₄、N₂O、SF₆）在多年时间尺度上的变化规律。主要结论是：两站温室气体浓度均呈显著增长趋势，并具有明显的季节变化特征；其变化受到局地生物源与非生物源（如植被、农业、工业、供暖）、季风远距离输送、大气边界层条件以及光化学过程等多种因素的共同作用。增长趋势在特定年份（瓦里关约2000年，上甸子约2012年）存在统计突变，这与我国重大区域发展战略和社会经济发展关键期相呼应。

本研究的科学价值在于：1) 提供了关于中国内陆高原（瓦里关）和东部经济圈（上甸子）大气温室气体长期变化的详实数据集和系统分析，丰富了全球温室气体观测网络的中国区域认识；2) 首次综合比较了四个物种的长期趋势、季节循环及相关性，揭示了不同区域、不同气体受控机制的差异与联系；3) 将浓度变化与可能的排放活动（通过突变分析）和气象过程（通过后向轨迹）进行关联，为理解温室气体变化的驱动因素提供了线索。其应用价值在于：研究成果可为我国制定差异化的区域温室气体减排策略、验证排放清单、以及预测未来气候变化情景提供重要的观测依据和科学参考。

第六， 研究亮点 1. 长时间序列与多物种综合研究： 覆盖了瓦里关22年、上甸子7年的观测数据，并同时分析了CO₂、CH₄、N₂O、SF₆四种关键温室气体，提供了更全面的视角。 2. 深入的季节与突变分析： 不仅描述了季节变化，还运用M-K突变检验法定量识别了浓度趋势发生显著变化的时间节点，并将突变点与国家社会经济发展阶段相联系，增强了研究的现实意义。 3. 多方法结合的证据链： 综合运用线性趋势、突变检验、相关性分析和HYSPLIT后向轨迹模型等多种方法，从趋势、周期、关联和来源等多个维度解析温室气体变化特征，形成了相互印证的证据链。 4. 凸显区域对比与人为影响： 通过对比青藏高原背景站和华北经济区区域站的异同，清晰揭示了自然过程主导区域与人类活动强烈影响区域温室气体变化特征的显著差异，特别是上甸子站CO₂巨大季节振幅和气体间相关性的季节依赖性，深刻反映了人为活动的印记。

第七， 其他有价值内容 研究在讨论部分指出，瓦里关站的光化学过程较弱，而上甸子站较强，这对解释两站夏季CH₄与CO₂相关性差异提供了重要线索。此外，研究确认了N₂O和SF₆浓度变化的高度同步性，暗示它们可能共同受到某些特定工业过程或电气设备使用等人为活动的影响。这些细节深化了对特定气体行为机制的理解。