AIRS反演青藏高原對流層大氣甲烷分布特征

馮冬霞高曉清*楊麗薇惠小英周 亞

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AIRS反演青藏高原對流層大氣甲烷分布特征

馮冬霞1,2,3,高曉清1*,楊麗薇1,惠小英1,周 亞1,2

(1.中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院,甘肅蘭州730000；2.中國科學院大學,北京 100049；3.中國氣象局綜合觀測司,北京 100081)

利用AIRS反演結果與瓦里關大氣本底站甲烷濃度觀測資料進行了對比分析,并對2003~2015年青藏高原對流層大氣甲烷濃度的分布變化特征進行研究分析.結果表明:AIRS反演資料與瓦里關觀測資料具有一致的月、年、季度變化趨勢和分段變化特征.青藏高原甲烷濃度沿羌塘高原東緣——三江源西北地區(qū)一線,東南高、西北低,隨高度上升呈現(xiàn)顯著降低趨勢,高原中部偏南地區(qū)甲烷濃度變率最大且異常敏感.2003~2015年青藏高原甲烷濃度持續(xù)上升,秋季最快、冬季最慢,年增長速度為5.2nmol/(mol×a),2013~2015期間小于全球增速;季節(jié)變化為典型單峰分布,夏季最高,春季最低,隨著高度上升季節(jié)變化更為明顯.

大氣甲烷；時空分布特征；衛(wèi)星遙感；青藏高原；瓦里關

甲烷(CH4)是大氣中主要溫室氣體之一,單位重量CH4的輻射強迫效應是CO2的20倍以上,對地球溫室效應的貢獻為4%~9%,其輻射強迫僅次于CO2,為(0.48±0.05)W/m2[1-2].同時,CH4還是大氣中最重要的化學活性含碳化合物,其對流層和平流層化學過程可以改變OH-和CO濃度,在大氣O3和HO化學中起著重要作用,由其生成平流層水汽產生的輻射強迫為0.07W/m2[3-4].自工業(yè)革命以來甲烷在大氣中的含量迅速增加,已從工業(yè)化前722nmol/mol增加到2015年1845±2nmol/mol,增加了大約1.5倍,大氣CH4濃度持續(xù)增長會對地球的輻射平衡產生效應,直接影響氣候變化[5].研究表明,大氣CH4主要自然源除了濕地、白蟻、海洋等,地質釋放和凍土消融也是重要組成部分,Etiope等[6-7]研究推測出全球地熱區(qū)由擴散作用釋放的CH4平均通量為1.71~3.68mg/(m2·d),地質成因自然源的CH4每年為30~70Mt.也有研究人員發(fā)現(xiàn),每年從北半球凍原陸地生態(tài)系統(tǒng)釋放進入大氣的甲烷約占全球自然界年釋放甲烷總量的22%~25%[8],對CH4平衡以及溫室效應具有顯著作用.青藏高原平均海拔在4500m以上,是世界上中低緯度地帶海拔最高、面積最大的凍土區(qū),其面積約占中國國土面積的15.6%[9-10].青藏高原氣候變化不僅影響本地環(huán)流,還影響亞洲乃至北半球的大氣環(huán)流,對區(qū)域氣候、東亞大氣環(huán)流、氣候變化及災害性天氣的形成和發(fā)展都有重要影響[11-12].已有研究表明,青藏高原地區(qū)在我國中對流層為低值中心、高對流層為高值中心,夏季青藏高原的強對流輸送是CH4高值形成的主要動力機制之一,青藏高原上空平流層CH4混合比隨著高度逐漸減小[13-15].高原東部的泥潭沼澤區(qū)域對CH4的氧化作用比較明顯,隨著土壤深度增加而減小[16].

目前,青藏高原對流層的時空分布特征及其對當?shù)貧夂蜃兓挠绊懭晕从醒芯?因此本文利用2003~2015年的AIRS反演資料,與瓦里關大氣本底站甲烷濃度觀測資料進行了對比分析,并研究分析了青藏高原地區(qū)對流層大氣甲烷濃度的時空分布變化特征,以期為進一步研究甲烷在青藏高原地區(qū)氣候變化中的作用.

1 數(shù)據資料

1.1 瓦里關甲烷觀測資料

瓦里關站(36°17′N,100°54′E,海拔3816m)位于青藏高原東北邊緣,屬于高原大陸性氣候,1994年9月正式投入運行,是WMO-GAW(全球大氣監(jiān)測網)位于各典型氣候和生態(tài)代表區(qū)域的31個全球基準站之一,代表區(qū)域為歐亞大陸腹地,主要開展包括溫室氣體、臭氧層、太陽輻射、降水化學、氣溶膠、反應性氣體、氣象要素等的長期觀測[17].研究表明,瓦里關大氣CH4濃度增長趨勢基本反映了北半球中高緯度內陸地區(qū)大氣本底特征,但是季節(jié)變化有一定差異[18].

本文中所使用的2003~2015年間CH4濃度觀測資料來自于世界氣象組織溫室氣體數(shù)據中心http://ds.data.jma.go.jp/gmd/wdcgg/wdcgg.html),數(shù)據是由瓦里關站每周一對空氣樣品flask瓶采樣(距地5m采樣高度)、美國國家海洋與大氣管理局地球系統(tǒng)研究實驗室(NOAA/ESRL)利用氣相色譜法分析并取4周平均值所得的月平均資料,測量結果可以溯源至NOAA04A 標準氣體.

1.2 AIRS甲烷反演資料

搭載在EOS第二顆衛(wèi)星Aqua(過赤道時間為當?shù)貢r間13:30)上的大氣紅外探測儀AIRS (Atmospheric Infrared Sounder)有2378個光譜通道和較高的光譜分辨率((/D=1200),每天掃描全球兩次.本文采用了AIRS觀測資料反演的CH4體積混合比第六版L3標準產品,該產品(http://disc.sci. gsfc.nasa.gov/)利用AIRS具有較高光譜分辨率和信噪比的7.66μm觀測譜段,采用基于神經網絡算法的溫濕度初始廓線和優(yōu)化擬合(OEM)方法進行甲烷反演,并給出了從1000hPa到5hPa共24層的大氣甲烷體積混合比,其空間分辨率為1°′1°網格,時間分辨率為逐月.研究表明,AIRS第六版甲烷濃度對流層反演資料在343~441hPa和441~575hPa的誤差分別是(0.76±1.56)%和(–0.05±1.16)%,與太平洋區(qū)域飛機觀測在500hPa的誤差為(12.64± 21.47)nmol/mol,可用于分析研究大氣中的甲烷分布和傳輸規(guī)律[19-20].也有研究表明,AIRS甲烷產品在南亞地區(qū)季風期間與全球傳輸模式TM3模擬結果有一致的明顯上升趨勢,這與垂直動力傳輸和地表釋放有關[21].

鑒于青藏高原地區(qū)平均海拔在4500m以上,本文中采用的AIRS甲烷反演資料為500、400、300、250、200hPa共五層的升軌反演資料.

2 結果與分析

2.1 AIRS反演資料與瓦里關觀測資料對比

利用2003~2015年瓦里關大氣甲烷濃度觀測資料與AIRS反演資料進行月變化相關分析(圖1a),相關系數(shù)從500到200hPa依次為0.790、0.791、0.787、0.786、0.791,平均相關系數(shù)為0.789,均通過了=0.01的顯著性檢驗,為顯著相關.瓦里關甲烷濃度年變化分析(圖1b)表明,年平均甲烷濃度從地面到對流層頂逐漸下降,分別為1.857、1.830、1.815、1.799、1.788和1.775μmol/ mol,觀測資料與反演資料的相關系數(shù)從500到200hPa依次為0.955、0.958、0.961、0.962、0.964,各高度平均相關系數(shù)為0.960,均通過=0.01的顯著性檢驗,較月變化相關性更顯著.

(a)逐月平均值,(b)逐年平均值,(c)月平均,(d)逐月距平值

表1 2003~2015年瓦里關甲烷濃度線性傾向估計回歸系數(shù)和相關系數(shù)

Table 1 The regression coefficients and correlation coefficients of the linear tendency estimation on CH4 concentrationfor 2003~2015 at Mt. Waliguan

表1 2003~2015年瓦里關甲烷濃度線性傾向估計回歸系數(shù)和相關系數(shù)

高度回歸系數(shù)[nmol/(mol· a) 月年 地面0.45.2 500hPa0.55.6 400hPa0.55.5 300hPa0.55.4 250hPa0.55.2 200hPa0.44.8

注:數(shù)據均通過=0.01的顯著性水平檢驗.

2003年~2015年期間,瓦里關觀測資料與反演資料月平均值均為夏季(6~8月)高、冬季(12~2月)低的單峰型變化(圖1c),觀測資料季節(jié)變化幅度為19.2nmol/mol,遠小于反演資料平均變化幅度66.7nmol/mol.瓦里關逐月距平值從地面到200hPa整體表現(xiàn)均為緩慢增長趨勢(圖1d),其中2004~2006年基本不變,2006~2010年間緩慢增長,2011~2012年快速增長,2015年最高,分別達到1.896、1.863、1.848、1.830、1.819和1.803μmol/ mol,這與全球甲烷濃度變化總體趨勢一致,但是快速上升時間點不一致[5].

對瓦里關甲烷濃度月、年變化進行線性傾向估計(表1),各高度均為緩慢上升趨勢,月平均上升幅度為0.5nmol/(mol·a),年平均上升幅度為5.5nmol/ (mol·a).反演資料月、年上升幅度均高于觀測資料,分別高出20%和6%,這可能是由于采樣時間偏差或反演算法等造成的,仍需要進一步驗證[20].

利用曼-肯德爾法(Mann-Kendall)對瓦里關觀測資料和反演資料月數(shù)據進行突變分析(圖2),在=0.05的顯著性檢驗范圍內沒有交叉點,不能確定是否存在突變,但是存在整體上升趨勢,各高度均在2007年開始顯著上升,具有比較好一致性.

利用滑動檢驗方法對觀測資料和反演資料逐月距平分別進行間隔為12、18、24個月的突變分析(圖3),瓦里關甲烷濃度在2004~2005年均出現(xiàn)了一次由增高到降低的突變,在2008年和2010~2011年均出現(xiàn)了一次由降低到增高的突變,突變時間范圍比較一致,基本通過=0.05的顯著性檢驗.但是甲烷濃度觀測數(shù)據在2009年前后比反演數(shù)據多了一次由降低到增高的突變,具體原因需要進一步深入研究.

綜上分析,瓦里關甲烷濃度AIRS反演資料和觀測資料時間序列具有顯著相關性,月、年變化趨勢和突變時間比較一致,可以用來分析青藏高原甲烷濃度變化特征.由于反演資料和觀測資料的采樣頻次和采樣高度不同步,且缺乏甲烷垂直觀測數(shù)據,ARIS反演產品與觀測數(shù)據可能存在的誤差仍需要進一步研究.

(a)12個月,(b)18個月,(c)24個月

2.2 青藏高原甲烷空間分布特征

利用AIRS甲烷濃度反演資料,分析青藏高原地區(qū)2003~2015年對流層甲烷濃度的年平均和季節(jié)平均分布,結果表明:青藏高原甲烷濃度隨高度上升呈現(xiàn)顯著降低趨勢(圖4a),各層年平均甲烷濃度分別為1.829、1.818、1.804、1.795和1.782μmol/mol,與我國其他地區(qū)趨勢一致[31].在水平分布上,甲烷濃度存在顯著的東西差異,東南高、西北低,且隨著高度上升此差異逐漸減弱,分界線基本位于羌塘高原東緣——三江源西北地區(qū)一線.東南部高值中心主要位于西藏東部、云南、四川一帶,這可能與該地區(qū)海拔較低、人口較密集造成的人類活動較多有關;低值中心位于羌塘高原和三江源西北地區(qū),與高原平均海拔顯著上升、無人區(qū)的范圍基本一致.高原西南喜馬拉雅山沿線存在穩(wěn)定的高值中心,這可能斷裂帶地質排放等相關,具體原因有待于進一步研究.

如圖4b~e所示,青藏高原甲烷濃度在夏季最高,秋季、冬季其次,春季最低,春夏秋冬平均甲烷濃度分別為1.788、1.822、1.819和1.793μmol/mol.夏秋季節(jié)高原東南-西北分界線以兩側高、中間低的“山谷型”穩(wěn)定存在,北部祁連山以南——柴達木盆地出現(xiàn)甲烷濃度高值區(qū)域,整個高原分布差異明顯弱于較冬季季節(jié),這可能與夏秋植被茂盛、人類活動增多等相關.冬春季節(jié)甲烷濃度的東南、西北差異明顯,西北明顯低于東南部.

對青藏高原甲烷濃度消除季節(jié)變化影響后進行EOF分析,各高度第一模態(tài)(圖5)的累積方差貢獻比例遠大于第二模態(tài),解釋方差分別為79.7%、83.9%、87.7%、89.0%、89.6%.

消除季節(jié)變化影響后,甲烷濃度主要呈現(xiàn)緯向分布,載荷量大值區(qū)主要在高原中部偏南地區(qū),說明此地是甲烷濃度變率最大的地區(qū),也是甲烷濃度增加的異常敏感區(qū).出現(xiàn)這種情況的原因可能是高原多年凍土區(qū)融化造成甲烷濃度變率異常.隨著高度上升載荷量大值區(qū)面積逐漸縮小、差異逐漸減弱,凍土消融的變異影響減弱.從時間系數(shù)可以看出(圖略),2008年后青藏高原各層均為南部高于北部、中部最高的分布型,2008年前為相反分布.

2.3 青藏高原甲烷時間演變特征

對青藏高原甲烷濃度的月變化和年變化分析表明(圖6a、6b),在2003~2015年間青藏高原甲烷濃度基本隨時間呈緩慢上升趨勢,2015年甲烷濃度最高,分別達到1.861、1.850、1.836、1.826和1.811μmol/mol.

利用相關分析和線性傾向估計(表2),2003~ 2015年青藏高原甲烷濃度各高度上升趨勢完全一致、增長速率基本相同,平均相關系數(shù)達0.9995,對流層平均年增長速度為5.2nmol/ (mol·a).各高度甲烷濃度年際變化存在明顯的分段特征,其中2008~2010年未增長;2003~2004年、2007~2008年、2010~2012年快速上升,平均上升速度分別為10.6、14、12nmol/(mol·a);2004~2007年和2012~2015年緩慢上升,平均上升速度分別為1.1nmol/(mol·a)和2.5nmol/(mol·a),與全球甲烷濃度上升趨勢基本一致,但2013~2015年上升速度比全球上升速度低[5].

(a)年,(b)冬季,(c)春季,(d)夏季,(e)秋季,(1)500hPa,(2)400hPa,(3)300hPa,(4)250hPa,(5)200hPa

均通過α=0.01的顯著性水平檢驗.

從圖6c可以看出,青藏高原甲烷濃度具有顯著季節(jié)變化,夏季最高,春季最低,春夏秋冬平均甲烷濃度分別為1.788、1.822、1.819和1.793 μmol/mol,呈現(xiàn)典型單峰分布,這與中國東部、北部地區(qū)的冬、夏雙峰型季節(jié)變化特征不同[13],這可能是因為夏秋季是青藏高原全年CH4生物源排放和凍土釋放甲烷最旺盛時期,冬春季生物源排放和凍土釋放基本消失造成的.隨著高度上升甲烷濃度逐漸降低,季節(jié)變化更為明顯,變化幅度分別約為55.6、57.8、61.0、62.0、60.7nmol/mol,與其他文獻分析結果一致[14].

青藏高原各季節(jié)甲烷濃度均為持續(xù)上升趨勢(圖6d-g),秋冬季節(jié)在2005~2006年出現(xiàn)小幅下降,春夏季節(jié)在2009~2010年在出現(xiàn)小幅下降,冬春季節(jié)在2013~2014年出現(xiàn)小幅下降.對季節(jié)變化進行線性趨向估計(表2),2003~2015年青藏高原甲烷濃度春夏秋冬各季節(jié)增長速率分別為5.2、5.2、5.5和5.1nmol/(mol·a),秋季上升最快,冬季上升最慢.各季節(jié)在不同高度增長速率不同,春、秋、冬季從低到高增長速率逐漸降低,500hPa增長最快,為5.6nmol/(mol·a);夏季從低到高增長速率先增加后減少,在對流層上層250hPa增長最快,為5.4nmol/(mol·a),可能是夏季在對流層下部對流較強,低層甲烷輸送到上層較多造成的.

本節(jié)僅對青藏高原對流層甲烷濃度時空分布的事實進了分析,更深入產生變化的原因以及對氣候變化的反饋作用的研究有待進一步開展.

(a)月, (b)年,(c)平均月,(d)冬季,(e)春季,(f)夏季,(g)秋季

3 結論

3.1 2003~2015年瓦里關甲烷濃度觀測資料與反演資料月、年、季度變化趨勢呈顯著相關,各高度甲烷濃度均緩慢上升,存在夏季最高、春季最低的單峰型季度變化,其中2006年后持續(xù)上升,2008、2012年快速上升,反演資料月、年上升幅度均高于觀測資料,分別高出20%和6%;觀測資料季節(jié)變化幅度為19.2nmol/mol,反演資料平均變化幅度為66.7nmol/mol,遠大于觀測資料季節(jié)變化幅度.

3.2 青藏高原甲烷濃度隨高度上升呈現(xiàn)顯著降低趨勢,甲烷濃度東南高、西北低,分界線基本位于羌塘高原東緣——三江源地區(qū)西北一線.東南高值中心主要位于西藏東部、四川和云南一帶,這可能與人口活動密集有關;羌塘高原和三江源西北為甲烷低值中心,與高原平均海拔顯著上升、無人區(qū)的范圍基本一致.高原西南喜馬拉雅山沿線存在穩(wěn)定的高值中心.消除季節(jié)變化影響后,主要呈現(xiàn)緯向分布,高原中部偏南地區(qū)是甲烷濃度變率最大的地區(qū),也是甲烷濃度增加的異常敏感區(qū).

3.3 2003~2015年青藏高原甲烷濃度持續(xù)上升,年增長速度為5.2nmol/(mol·a),秋季上升最快,冬季上升最慢,其中2008~2010年未增長;2003~ 2004年、2007~2008年、2010~2012年快速上升, 2004~2007年和2012~2015年緩慢上升,2013~ 2015年上升速度比全球上升速度低.隨著高度上升,春、秋、冬季的增長速率逐漸降低,500hPa增長最快,為5.6nmol/(mol·a);夏季的增長速率先增加后減少,在250hPa增長最快,為5.4nmol/ (mol·a).

3.4 青藏高原甲烷濃度具有顯著季節(jié)變化,夏季最高,春季最低,呈現(xiàn)典型單峰分布,這可能是因為夏秋季是青藏高原全年CH4生物源排放和凍土釋放甲烷最旺盛時期,冬春季生物源排放和凍土釋放基本消失造成的.隨著高度上升甲烷濃度逐漸降低,季節(jié)變化更為明顯.

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致謝：感謝青海瓦里關本底站業(yè)務人員在野外現(xiàn)場的辛勤工作,感謝NOAA/ESRL提供經過質量控制的瓦里關flask瓶采樣比對分析數(shù)據,感謝NASA提供的AIRS官方反演的對流層CH4體積混合比產品.

A spatial-temporal distribution characteristics of the atmospheric methane in troposphere on Qinghai-Tibetan plateau using ARIS data.

FENG Dong-xia1,2,3, GAO Xiao-qing1*, YANG Li-wei1, HUI Xiao-ying1, ZHOU Ya1,2

(1.Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China；2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China；3.Department of Integrated Observations, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China)., 2017,37(8)：2822~2830

It was presented that a contrastive study on the AIRS retrieval results and the observational data of methane concentration at Waliguan atmospheric background station, and was analyzed that the distribution variation characteristics of atmospheric methane concentration over the Qinghai-Tibet Plateau from 2003 to 2015. It was showed that the AIRS retrieval data displayed the same monthly, annual and seasonal variation trend, as well as segmental variation characteristics, with those of Waliguan station. The methane concentration was featured high in the southeast and low in the northwest along with the geographical line of the east edge of Qiangtang Plateau-the northwest region of Resource of Three rivers, and decreased significantly as the altitude rose, with the highest and the most sensitive variability in the south central region of the Qinghai-Tibet Plateau. From 2003 to 2015, the methane concentration in the Qinghai-Tibet Plateau continued to rise, with the fastest growth in autumnand the slowest in winter, at an annual growth rate of 5.2nmol/(mol·a), while the growth rate from 2013 to 2015 was lower than the global average. The seasonal variation showed a unimodal curve, with the highest value in summer and the lowest value in spring, and with the altitude rising, the seasonal variation was more significant.

methane in the atmosphere；characteristics of spatiotemporal distribution；AIRS retrievals；Qinghai-Xizang Plateau (QXP)；Waliguan

X51

A

1000-6923(2017)08-2822-09

馮冬霞(1981-),女,河南焦作人,高級工程師,中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院博士研究生,主要從事氣候變化及其預測方面研究.發(fā)表論文4篇.

2017-01-10

國家自然科學基金項目(91437108);中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究所青年基金項目(51Y651L01)

* 責任作者, 研究員, xqgao@lzb.ac.cn