甲烷浓度历史变化回顾及对流层臭氧变化的影响有哪些？

作为最重要的人为温室气体之一，甲烷（CH4）浓度的变化对流层大气氧化 性、空气污染存在着复杂的显著影响。

1.全球甲烷浓度变化

自 1984 年以来，受农业活动和化石燃料使用等人类活动和湿地等天然源排 放变化的影响，全球近地面 CH4 观测平均浓度从 1645 ppb 增加至 1857 ppb（+212 ppb），同时全球人为源 CH4 排放量从 6811 Ton/年增加到 9383 Ton/年（+2572 Ton/ 年）。从全球平均近地面 CH4 浓度变化趋势来看，其纪八十年代中期的 1650 ppb 增长到九十年代末的 1770 ppb，并在本世纪初达到稳定，但在 2007 年 后 CH4 浓度再次升高（Nisbet et al., 2019）。此外,根据美国大气海洋局 NOAA 全球监测司 GMD 的观测结果，从 2014 年至今，大气近地面 CH4 的平均增长速率 甚至达到了 9.0 ppb/年，超过 2007–2013 年平均每年 5.7 ppb 的增速。2000 年后， 各个国家的农业活动和化石燃料产生全球人为 CH4 排放变化能解释 50%-60%的 通过大气反演（自上而下的方法）的 CH4 排放量变化（Jackson et al., 2020），说 明人为源（农业和化石燃料为主）排放是促使全球 CH4 平均浓度持续升高的主导 因素（Jackson et al., 2020; Saunois et al., 2020）。

全球农业和化石燃料部门的使用导致的 CH4 排放是全球 CH4 排放增加的主 导因素（Kirschke et al., 2013）。对于最重要的全球 CH4 排放源而言，由于农业活 动的快速发展，南亚/大洋洲（9-10 Tg/年），非洲（7-9 Tg/年）和南美洲的 CH4 的 农业排放主导了全球农业排放的增加（Jackson et al., 2020）。与此同时，由于社 会经济的转变和强有力的空气质量控制措施的实施，欧洲地区的农业 CH4 排放 则有明显降低（1.4 -2.8 Tg/年）。化石燃料行业的排放增加量在中国最大以及北美 洲、非洲、南亚和大洋洲。根据估计，美国与化石燃料相关的 CH4 排放量增加了 4.0 Tg/年，约占 2000-2006 年至 2017 年北美区域 CH4 总增加量的 80% （Jackson et al., 2020）。2000 年后，东亚（包括中国在内）、南亚以及美国是全球 CH4 人为排放增加的热点区域，而欧洲的 CH4 人为排放量则有所降低。

2.中国甲烷浓度变化

作为全球最大的 CH4 排放国之一，在本世纪初，中国的 CH4 人为来源约占 全球人为 CH4 排放的 13%（Kirschke et al., 2013）。中国 CH4 的排放量从 1980 年 的 24.4 Tg/年增长到了 2010 年的 45.0 Tg/年，同时随着时间的推移，1980 年最 大的排放源水稻种植在总排放中的占比逐渐减少，2005 年之后逐渐被煤炭开采 过程中的 CH4 排放所取代（Peng et al., 2016）。由于全球和中国地区的 CH4 由于 来源复杂和难以量化，因此现有研究对 CH4排放的准确核算仍存在很大的挑战。

基于使用地面站点、卫星和飞机等观测数据，通过使用自下而上统计排放清 单和自上而下源汇估算结果作为输入的 GEOS-Chem 模式，本项目量化了中国近 年来的 CH4 浓度趋势，并结合现有的 CH4 源汇估计，阐明了 2010–2017 年中国 CH4 浓度变化的驱动因子。研究发现，近年来中国地区的大气 CH4 浓度呈现显著 上升的趋势，增长率约为 7.0–8.4 ppb/年。其中，全球牲畜养殖、水稻种植和自然 湿地的 CH4 排放分别贡献了 22.5%、17.0%和 22.6%的中国近地面 CH4 浓度的增 长，来自中国的化石燃料开采、农业活动和垃圾填埋等人为 CH4 排放贡献了本土 浓度增长率的 12.5% （表 5-1）。研究表明，2010–2017 年我国西南、东北和华 北平原地区的 CH4 浓度上升趋势约有 1/3 来自本土的畜牧业排放，强调了未来中 国畜牧业减排的重要意义。

年际变化也由观测约束反演得到，在此情景下 GEOS-Chem 示踪模式的模拟结果，此表单 位为 ppb/年。排放源包括牲畜（LIV）、水稻（RIC）、石油（OIL）、天然气（GAS）、煤炭 （COL）、废水处理（WST）、垃圾填埋（LDF）、生物质燃烧（BBN）、湿地（WTL）和其 他（OTH）排放，包括其他人为源（OTA）、白蚁（TER）和地质泄漏（SEE）。

对中国 CH4 浓度来说，在 2010–2017 年本土排放对西部地区的贡献约为 9.4%，对中部地区的贡献则达到 12.5%。对近地面 CH4 浓度的变化趋势 来说，本土排放对青藏高原地区的贡献为 7.1%，而对东部沿海地区的贡献则达 到 21.9%。华北平原地区和珠三角地区的负值可能是由于京津冀地区煤炭排放的 下降和珠三角地区废物处理排放在近年来的降低造成的。西南地区本土贡献的高 值来自牲畜排放。东北地区本土贡献的高值来自牲畜排放、生物质燃烧和石油开 采排放。华北平原本土贡献为正值的地区主要是来自牲畜排放、废水处理和垃圾 填埋的排放增加。研究发现，近年来南方许多地区由原先的水稻种植逐渐向规模 化的水产养殖业转化，来自“水稻-水产养殖”的 CH4 排放总量的明显增长 （0.13±0.05 Tg/年）（Sheng et al., 2021），该排放源和其他人为源的增加一起，带 来了南方地区 2010-2017 年的大气 CH4 浓度的明显增加。

人为源排放导致的不断升高的 CH4 浓度能通过改变对流层大气氧化性、太阳辐射等方式，直接或者间接地对对流层臭氧背景浓度施加影响，从而给全球空 气污染治理带来了愈发显著的挑战（Miller et al., 2019; Morgenstern et al., 2013）。

3.历史时期甲烷浓度变化对流层臭氧变化的影响

鉴于 CH4 对大气污染物的重要贡献，Zhang et al.（2016） 使用全球化学输 送模型 CAM-chem 量化了 1980-2010 年期间全球 CH4浓度变化对对流层 O3收支 的贡献。1980-2010 年期间，全球对流层 O3 收支共计增加了 28.12 Tg（8.9%）， 其中北半球对流层 O3 收支增加占全球总增加量的 54%（Zhang et al., 2021）。相对于 1980 年增加了 14.7% （+231 ppb）的全球 CH4 浓度导致全球对流层 O3 收支增加了 7.48Tg（+26.7%）， CH4 排放是臭氧收支增加的最重要因素之一。其中，对于全球对流层 O3 收支增 加贡献最为重要的东南亚（5.6 Tg）、东亚（5.6 Tg）和南亚（4.0 Tg）区域而言， 显著增加的 CH4 等前体物的排放有利促进了区域乃至全球 O3 收支的增加。对于 其他区域而言，CH4 等前体物的变化对区域 O3 收支增加贡献不明显，甚至会降 低欧洲区域的对流层 O3 收支（Zhang et al., 2021）。

此外，为对工业革命以来的平流层和对流层 O3 浓度变化进行归因，Zeng et al.（2022）使用来自多个地球系统模型的单一强迫扰动模拟全球 O3 浓度对全球 温室气体变化对变化的响应（图 5-4）。结果表明，1850-2014 年期间，从 800 ppb 增加到 1800 ppb 的 CH4 的变化导致全球地面 O3 浓度普遍增加（0-10 ppb）。对于 对流层 O3 变化而言，CH4 对中高纬度的 O3 增加的贡献要高于中低纬度地区。

从 O3 前体物排放对 O3 变化的贡献的空间分布来看，1980 年开始，全球 O3 前体物的人为排放一直在向赤道转移，尤其是在北美和欧洲减少，而在东亚和南 亚增加（West et al., 2009; Zhang et al., 2016）。与 NOx 和 VOCs 排放对 O3 收支的 贡献分布相比，全球 CH4 浓度增加对全球各区域的对流层 O3 收支增加的贡献更 为均匀 （Zhang et al., 2021）。此外，全球纬向对流层 O3 收支增加显示出全球 CH4 的强烈影响，与区域敏感性情景相比，全球 CH4 敏感性的情景下的 O3 收支变化 在空间上更加均匀。该模型结果表明，在历史时期中，CH4 能 加剧 30° S–35° N 范围内的热点区域对流层（如东南亚、欧洲）O3 收支，进而凸显了日益增加的 CH4 的人为排放能进一步加剧包括中国在内的热点区域的对流 层 O3 污染。由此可知，全球 CH4 浓度的增加能普遍提高全球尤其是北半球中高 纬度地区的对流层 O3 背景值，进而对区域空气治理造成负面影响。