甲烷是僅次于二氧化碳的溫室氣體，自工業(yè)革命以來，大氣中的甲烷濃度增加了一倍多，甲烷加倍所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)在全球變暖中貢獻(xiàn)約20%。

近日，中科院大氣物理研究所研究員劉毅團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，2010～2019年熱帶陸地排放對(duì)全球甲烷濃度變化的貢獻(xiàn)超過了80%，他們還首次提出海溫可用于預(yù)測全球大氣甲烷變化。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《自然—通訊》。

甲烷增溫潛勢是二氧化碳的84倍

聯(lián)合國氣候變化格拉斯哥大會(huì)期間，中國和美國聯(lián)合發(fā)布了《中美關(guān)于在21世紀(jì)20年代強(qiáng)化氣候行動(dòng)的格拉斯哥聯(lián)合宣言》，提到“甲烷排放對(duì)于升溫的顯著影響，加大行動(dòng)控制和減少甲烷排放是21世紀(jì)20年代的必要事項(xiàng)”。

論文作者之一劉毅表示，在20年尺度范圍內(nèi)，甲烷的增溫潛勢是二氧化碳的84倍。甲烷的壽命僅有8-11年，約為二氧化碳的十分之一，其減排能在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)抑制全球升溫過快的目的。此外，甲烷也影響著對(duì)流層大氣污染物和溫室氣體臭氧濃度的變化。在政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）最新發(fā)布的第六次評(píng)估報(bào)告（AR6）中，IPCC在預(yù)警全球升溫的嚴(yán)峻形勢外，也首次闡述了甲烷排放控制對(duì)減緩氣候變暖以及改善空氣質(zhì)量的作用。

值得注意的是，大氣中的甲烷濃度并不是穩(wěn)定變化的。在最近的20年中，1999-2006年期間大氣中甲烷濃度基本沒有變化；從2007年開始，甲烷重新恢復(fù)了增長，而且2014年以后甲烷濃度的增長速度更快了，“這種不穩(wěn)定變化主要是由于甲烷源匯收支不平衡造成的”。論文作者之一、中科院大氣物理所博士研究生朱思虹說。

朱思虹進(jìn)一步解釋道，甲烷的排放源主要分為煤炭和油氣、農(nóng)業(yè)、牲畜、垃圾填埋等人為源和濕地、內(nèi)陸淡水、生物質(zhì)燃燒、凍土等自然源。目前研究普遍認(rèn)為近十幾年甲烷的增長是由于排放增加造成的，其中熱帶作為重要的排放源地，其排放變化會(huì)顯著的影響大氣中甲烷濃度增長率的變化。

甲烷主要是由土壤中的產(chǎn)甲烷菌在厭氧環(huán)境下產(chǎn)生，熱帶降水充足，分布著大量的自然濕地和淡水生態(tài)系統(tǒng)，為甲烷菌生產(chǎn)甲烷創(chuàng)造了良好的厭氧環(huán)境。論文第一作者、愛丁堡大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院博士馮量指出，研究數(shù)據(jù)測算表明，熱帶每年排放的甲烷約占全球排放總量的60%，在2010-2019年的排放變化可以解釋同時(shí)期約84%的大氣甲烷濃度增長率。

天地一體化新方法填補(bǔ)空白

大氣甲烷濃度觀測是精確評(píng)估全球和地區(qū)甲烷排放的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。據(jù)劉毅介紹，目前全球地面觀測網(wǎng)的觀測站點(diǎn)分布比較稀疏，主要集中在北半球中緯度地區(qū)，提供的觀測信息十分有限。

“衛(wèi)星遙感觀測在一定程度上彌補(bǔ)了這一缺點(diǎn)，但是2010～2020年間研發(fā)的溫室氣體衛(wèi)星受限于觀測覆蓋范圍不足，同時(shí)還受到云和氣溶膠的影響，數(shù)據(jù)不夠完整。”馮量說。  如何利用現(xiàn)有的觀測預(yù)報(bào)手段預(yù)測大氣甲烷濃度變化？劉毅說：“這個(gè)問題比較困難，目前還是一個(gè)研究空白。”

為了填補(bǔ)這個(gè)“空白”，研究人員利用日本碳監(jiān)測衛(wèi)星甲烷觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合碳同化模型采用天地一體化新方法。

馮量表示，傳統(tǒng)的研究方法是一種“自下而上”的方法，通常是使用觀測、統(tǒng)計(jì)方法或者地面模型計(jì)算單一源的排放。在這個(gè)過程中，通常會(huì)因?yàn)楦鱾€(gè)研究的重復(fù)計(jì)算而存在一定程度的高估，同時(shí)這種方法還有一定地時(shí)間滯后性。

碳同化系統(tǒng)是一種“自上而下”的方法，利用衛(wèi)星、飛機(jī)和地面觀測大氣濃度信息反推出甲烷的排放總量，這種方法很大程度提高了排放總量評(píng)估的不確定性。由于結(jié)合了近乎實(shí)時(shí)的濃度觀測信息，可以更加高效地為減排政策提供科學(xué)支撐。

在新方法的支持下，研究首次發(fā)現(xiàn)，海溫變化與南美熱帶地區(qū)和非洲中部在雨季和干季的甲烷排放顯著相關(guān)。

以南美洲熱帶地區(qū)為例，該地區(qū)東北部降水與熱帶北太平洋和大西洋赤道東部的海溫異常存在正相關(guān)關(guān)系，但是西南地區(qū)的降水與熱帶北太平洋的海溫變化是負(fù)相關(guān)的。

“這種偶極子結(jié)構(gòu)已經(jīng)被證實(shí)與熱帶的大氣環(huán)流相關(guān)，降水的變化通過影響土壤含水量進(jìn)一步影響了甲烷排放的變化，因此當(dāng)前的海溫預(yù)測技術(shù)可以進(jìn)一步幫助預(yù)測該區(qū)域的甲烷排放，” 馮量說。

期待多角度全面評(píng)估

2021年，生態(tài)環(huán)境部應(yīng)對(duì)氣候變化司副司長陸新明在生態(tài)環(huán)境部例行新聞發(fā)布會(huì)上透露，“十四五”期間，中國控制甲烷排放行動(dòng)主要有五個(gè)方面的安排和打算，包括開展甲烷排放控制研究，推動(dòng)出臺(tái)中國甲烷排放控制行動(dòng)方案，加強(qiáng)重點(diǎn)領(lǐng)域甲烷排放的監(jiān)測、核算、報(bào)告和核查體系建設(shè)，鼓勵(lì)先行先試，加強(qiáng)國際合作。

目前，包括中國在內(nèi)的多個(gè)國家正在研制新一代甲烷觀測衛(wèi)星，計(jì)劃開展國際組網(wǎng)觀測，再結(jié)合無人機(jī)以及地面觀測網(wǎng)等多平臺(tái)觀測優(yōu)勢，多角度、更全面評(píng)估甲烷排放。

“2021年9月發(fā)射高分五號(hào)02高光譜衛(wèi)星正在測試階段，即將提供觀甲烷測數(shù)據(jù)，未來新一代碳衛(wèi)星TanSat-2和即將入軌的大氣監(jiān)測衛(wèi)星（DQ-2）將具備高精度高分辨率甲烷觀測能力，助力全球甲烷收支評(píng)估。”劉毅說。

審稿專家認(rèn)為，本文使用模型和衛(wèi)星觀測來評(píng)估甲烷的區(qū)域排放量，重點(diǎn)介紹了對(duì)全球甲烷排放貢獻(xiàn)更大、對(duì)全球甲烷排放變化貢獻(xiàn)更大的熱帶陸地區(qū)域。這些地區(qū)的排放量與2010-2019年期間的溫度和降雨量變化以及海表溫度（SST）[GYL1] 變化有關(guān)，熱帶SST和熱帶甲烷排放之間的這種聯(lián)系可能為未來甲烷增加提供某種程度的潛在可預(yù)測性。本文的結(jié)果表明，熱帶海溫模式可能為甲烷排放提供一定程度的可預(yù)測性，這可能有助于管理未來的排放。

劉毅表示，目前國際上對(duì)中國甲烷排放及其變化問題仍未達(dá)成共識(shí)。未來，團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步利用多平臺(tái)觀測數(shù)據(jù)提供更加精確的中國甲烷排放評(píng)估結(jié)果，為中國實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)提供科學(xué)和技術(shù)支持。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-022-28989-z

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