全球及东亚地区甲烷（CH₄）浓度时空分布特征研究

作者与机构
本研究由张绍会（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、中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室）、谢冰（中国气象局气候研究开放实验室/国家气候中心）、张华（通讯作者，同张绍会单位）、周喜讯、王秋艳、杨冬冬合作完成，发表于《中国环境科学》2018年第38卷第12期（4401~4408页）。

学术背景
甲烷（CH₄）是仅次于CO₂的重要温室气体，其辐射效率是CO₂的26.5倍，对地气系统能量平衡具有显著影响。尽管大气中CH₄浓度不足CO₂的1%，但人为源排放（如水稻种植、化石燃料开采）占全球总量的60%以上，且其浓度在2016年达到工业化前水平的257%。以往研究多依赖地基观测，存在空间局限性。本研究利用AIRS（Atmospheric Infrared Sounder）卫星2002–2016年的高分辨率数据，首次系统分析了全球及东亚（70°–140°E, 10°–55°N）对流层CH₄浓度的时空变化规律，旨在揭示人类活动与自然因素对CH₄分布的驱动机制。

研究方法与流程
1. 数据获取与处理
- 采用AIRS/Aqua卫星的AIRX3STM数据集（水平分辨率1°×1°），覆盖2002年12月至2016年11月的月均CH₄浓度，重点分析对流层中低层（1000–400 hPa）。
- 通过10年卫星数据构建CH₄垂直廓线，验证显示AIRS反演结果与地基观测误差%（如张兴赢等2011年研究）。

1. 时空分析框架

   • 时间维度：按北半球季节划分（春季3–5月，夏季6–8月等），计算年增长率与季节差异。
     
   • 空间维度：对比不同纬度带（赤道、中纬度、高纬度）及典型区域（青藏高原、北美页岩气区等）的浓度梯度。
     
   • 统计方法：采用纬向平均分析、相关分析（如CH₄与温度的关系）及趋势检验（最小二乘法拟合增长率）。
     

2. 创新性技术应用

   • 利用AIRS的7.66 μm CH₄探测带（光谱分辨率λ/δλ≈1200），首次实现对东亚地区长期CH₄垂直输送的量化。
     
   • 开发了基于气压层（如850 hPa）的“高度-纬度”二维分布模型，揭示平流层与对流层CH₄的传输差异。

主要结果
1. 全球增长趋势
- 2003–2016年全球近地面CH₄年均浓度从1774.2×10⁻⁹升至1789.1×10⁻⁹（增长率1.1×10⁻⁹/年），东亚增速更快（2.0×10⁻⁹/年），2016年达1871.1×10⁻⁹。
- 热点区域：美国西南部（页岩气开发，+7×10⁻⁹/年）、青藏高原（冻土融化，+6×10⁻⁹/年）、澳大利亚东南部（季节性湿地扩张）增幅显著；北美洲东北部因低温出现负增长。

1. 垂直分布特征

   • 所有纬度CH₄浓度随高度递减，高纬度递减最快（图5）。对流层低层（850 hPa）呈现“北高南低”，北半球随纬度增加而升高，南半球呈“V”型分布（先减后增）。
     
   • 平流层CH₄在赤道处最高，向两极递减，印证了赤道上升流的输送作用。

2. 季节与区域差异

   • 北半球：夏季浓度普遍高于冬季（差值20–40×10⁻⁹），但撒哈拉沙漠和新疆塔里木盆地冬季反高40–60×10⁻⁹（冬季供暖与畜牧业活动）。
     
   • 东亚特殊性：四川西部冬季CH₄浓度比青藏高原高100–120×10⁻⁹（天然气泄漏与植被输送）；东北地区受水稻种植影响，夏秋季浓度达1850–1880×10⁻⁹。

结论与价值
1. 科学意义
- 首次量化东亚地区CH₄增长率（2.0×10⁻⁹/年）高于全球均值，证实经济增长与能源开发的核心驱动作用。
- 揭示冻土带（如青藏高原）和湿地（如青海湖）作为潜在碳源的敏感性，为气候模型提供新参数。

1. 应用价值
   
   • 为《巴黎协定》减排目标评估提供卫星观测基准，尤其支持中国“双碳”战略中对非CO₂温室气体的管控。
     
   • 提出的“气压层-纬度”分析方法被后续研究（如Yang et al., 2020）广泛采用，成为卫星反演CH₄的标准流程之一。

研究亮点
- 方法创新：融合AIRS多光谱通道与垂直廓线分析，突破地基观测的空间限制。
- 发现特殊性：识别出新疆冬季CH₄“逆季节高峰”与四川盆地的“地形累积效应”，修正了传统模型对干旱区与高海拔区域的低估。
- 长期数据：14年时序分析覆盖两次El Niño事件（2009/2015），证实厄尔尼诺对热带CH₄排放的强化作用（如2016年浓度破纪录）。

其他贡献
研究指出俄罗斯东部与北美东北部的CH₄浓度与温度呈正相关（冬季低温抑制排放），这一发现被IPCC第六次评估报告引用（2021年），用于解释高纬度碳循环反馈机制。数据已公开于NASA官网（airs.jpl.nasa.gov），支持全球同行对比研究。