我国大气甲烷浓度时空变化的地面排放源解析研究

世界气象组织《温室气体公报》显示，大气主要温室气体浓度再次突破有记录以来最高点，UNFCCC框架下各国温室气体减排将继续成为国际气候变化谈判的核心议题。甲烷是大气中第二大温室气体，近几年卫星技术对全球大气甲烷浓度变化的全覆盖高频度监测取得了显著进展。这一监测正越来越多地应用于对各国甲烷温室气体排放清单报告和减排实际效果的检验和评估中。如何识别和解析各种甲烷排放源，特别是人为排放源和自然排放源对大气中甲烷浓度变化贡献是目前该领域急需解决的关键科学问题之一。本研究拟利用模型模拟我国各种地面源（包括稻田、自然湿地、反刍动物、废弃物处理以及能源活动）的甲烷排放，并输入大气化学传输模式模拟我国大气甲烷浓度的季节变化和空间差异，通过将模拟结果与卫星反演的大气甲烷浓度变化数据对比分析，解析各地面排放源对我国大气甲烷浓度变化的贡献。预期的研究结果将对我国甲烷排放清单编制和参与国际气候变化谈判提供科学支持。

甲烷是大气中重要温室气体之一。反刍动物数量的增加，化石燃料开采与利用，水稻种植，垃圾填埋等人为活动排放，是大气甲烷浓度变化的主要原因之一。虽然从工业革命以来的数百年内大气CH4浓度增速更快，但与大气CO2和N2O等持续增加不同，CH4浓度的变化速率在不同时期有很大差别。为深入认识甲烷的源汇机制及其对大气甲烷浓度变化的贡献，本研究对我国各种地面源的甲烷排放在高空间分辨率的数据集支持下进行了估算研究，并将结果输入大气化学传输模式GEOS-CHEM模拟我国大气甲烷浓度的季节变化和空间差异，以与卫星反演的大气甲烷浓度变化数据对比分析。结果显示，我国自然湿地当前面积约9.4 M ha，年甲烷排放量为1.9 Tg yr-1；水稻种植面积28.8 M ha，稻田种植的甲烷排放量为6.81 Tg yr-1；畜牧饲养的甲烷总排放为13.04 Tg yr-1，其中反刍动物消化道排放11.64 Tg yr-1，动物粪便排放1.40 Tg yr-1。林（面积199 M ha）、草（面积296 M ha）地作为重要的陆地甲烷汇，其年吸收甲烷量分别为0.61 Tg yr-1和1.06 Tg yr-1。在空间分布上，自然湿地的甲烷排放以东北和青藏高原为主，稻田甲烷排放主要分布于南方及东北地区，而华北和江淮是畜牧排放甲烷的主要区域。季节动态方面，自然湿地和稻田甲烷排放具有显著的季节动态，但是由于稻田轮作的缘故（双季稻和水旱轮作），两者除东北地区外并不同步。畜牧的甲烷排放也存在一定程度上的季节动态，主要是源于饲草及动物活动的季节性差异和温度变化对粪便管理系统甲烷排放的影响。但总体上说，其季节动态比自然湿地和稻田排放弱。.SCIAMACHY卫星监测的大气甲烷浓度数据显示1‒4月中国上空甲烷柱浓度偏低，5‒7月是浓度增长过程，8‒9月达到最大值，10月份开始减小，11月是浓度最小的阶段。将本研究中的排放源数据进行空间粗化重采样到GEOS-CHEM的空间分辨率，并结合国家清单中的废弃物和能源活动甲烷排放估计，本研究模式计算的大气甲烷浓度季节变化与卫星数据保持同步，无论是在柱浓度变化的时间节点（5月和10月），还是在整个柱浓度变化剧烈的时间段。这一对比结果与GEOS-CHEM模式之前利用简单甲烷排放清单数据模拟的结果相比，能够更准确地再现大气甲烷浓度变化，是进一步分析各种排放源对大气甲烷浓度变化贡献的基础。