AIRS反演青藏高原对流层大气甲烷分布特征

冯冬霞高晓清*杨丽薇惠小英周 亚



AIRS反演青藏高原对流层大气甲烷分布特征

冯冬霞1,2,3,高晓清1*,杨丽薇1,惠小英1,周 亚1,2

(1.中国科学院西北生态环境资源研究院,甘肃兰州730000；2.中国科学院大学,北京 100049；3.中国气象局综合观测司,北京 100081)

利用AIRS反演结果与瓦里关大气本底站甲烷浓度观测资料进行了对比分析,并对2003~2015年青藏高原对流层大气甲烷浓度的分布变化特征进行研究分析.结果表明:AIRS反演资料与瓦里关观测资料具有一致的月、年、季度变化趋势和分段变化特征.青藏高原甲烷浓度沿羌塘高原东缘——三江源西北地区一线,东南高、西北低,随高度上升呈现显著降低趋势,高原中部偏南地区甲烷浓度变率最大且异常敏感.2003~2015年青藏高原甲烷浓度持续上升,秋季最快、冬季最慢,年增长速度为5.2nmol/(mol×a),2013~2015期间小于全球增速;季节变化为典型单峰分布,夏季最高,春季最低,随着高度上升季节变化更为明显.

大气甲烷；时空分布特征；卫星遥感；青藏高原；瓦里关

甲烷(CH4)是大气中主要温室气体之一,单位重量CH4的辐射强迫效应是CO2的20倍以上,对地球温室效应的贡献为4%~9%,其辐射强迫仅次于CO2,为(0.48±0.05)W/m2[1-2].同时,CH4还是大气中最重要的化学活性含碳化合物,其对流层和平流层化学过程可以改变OH-和CO浓度,在大气O3和HO化学中起着重要作用,由其生成平流层水汽产生的辐射强迫为0.07W/m2[3-4].自工业革命以来甲烷在大气中的含量迅速增加,已从工业化前722nmol/mol增加到2015年1845±2nmol/mol,增加了大约1.5倍,大气CH4浓度持续增长会对地球的辐射平衡产生效应,直接影响气候变化[5].研究表明,大气CH4主要自然源除了湿地、白蚁、海洋等,地质释放和冻土消融也是重要组成部分,Etiope等[6-7]研究推测出全球地热区由扩散作用释放的CH4平均通量为1.71~3.68mg/(m2·d),地质成因自然源的CH4每年为30~70Mt.也有研究人员发现,每年从北半球冻原陆地生态系统释放进入大气的甲烷约占全球自然界年释放甲烷总量的22%~25%[8],对CH4平衡以及温室效应具有显著作用.青藏高原平均海拔在4500m以上,是世界上中低纬度地带海拔最高、面积最大的冻土区,其面积约占中国国土面积的15.6%[9-10].青藏高原气候变化不仅影响本地环流,还影响亚洲乃至北半球的大气环流,对区域气候、东亚大气环流、气候变化及灾害性天气的形成和发展都有重要影响[11-12].已有研究表明,青藏高原地区在我国中对流层为低值中心、高对流层为高值中心,夏季青藏高原的强对流输送是CH4高值形成的主要动力机制之一,青藏高原上空平流层CH4混合比随着高度逐渐减小[13-15].高原东部的泥潭沼泽区域对CH4的氧化作用比较明显,随着土壤深度增加而减小[16].

目前,青藏高原对流层的时空分布特征及其对当地气候变化的影响仍未有研究,因此本文利用2003~2015年的AIRS反演资料,与瓦里关大气本底站甲烷浓度观测资料进行了对比分析,并研究分析了青藏高原地区对流层大气甲烷浓度的时空分布变化特征,以期为进一步研究甲烷在青藏高原地区气候变化中的作用.

1 数据资料

1.1 瓦里关甲烷观测资料

瓦里关站(36°17′N,100°54′E,海拔3816m)位于青藏高原东北边缘,属于高原大陆性气候,1994年9月正式投入运行,是WMO-GAW(全球大气监测网)位于各典型气候和生态代表区域的31个全球基准站之一,代表区域为欧亚大陆腹地,主要开展包括温室气体、臭氧层、太阳辐射、降水化学、气溶胶、反应性气体、气象要素等的长期观测[17].研究表明,瓦里关大气CH4浓度增长趋势基本反映了北半球中高纬度内陆地区大气本底特征,但是季节变化有一定差异[18].

本文中所使用的2003~2015年间CH4浓度观测资料来自于世界气象组织温室气体数据中心http://ds.data.jma.go.jp/gmd/wdcgg/wdcgg.html),数据是由瓦里关站每周一对空气样品flask瓶采样(距地5m采样高度)、美国国家海洋与大气管理局地球系统研究实验室(NOAA/ESRL)利用气相色谱法分析并取4周平均值所得的月平均资料,测量结果可以溯源至NOAA04A 标准气体.

1.2 AIRS甲烷反演资料

搭载在EOS第二颗卫星Aqua(过赤道时间为当地时间13:30)上的大气红外探测仪AIRS (Atmospheric Infrared Sounder)有2378个光谱通道和较高的光谱分辨率((/D=1200),每天扫描全球两次.本文采用了AIRS观测资料反演的CH4体积混合比第六版L3标准产品,该产品(http://disc.sci. gsfc.nasa.gov/)利用AIRS具有较高光谱分辨率和信噪比的7.66μm观测谱段,采用基于神经网络算法的温湿度初始廓线和优化拟合(OEM)方法进行甲烷反演,并给出了从1000hPa到5hPa共24层的大气甲烷体积混合比,其空间分辨率为1°´1°网格,时间分辨率为逐月.研究表明,AIRS第六版甲烷浓度对流层反演资料在343~441hPa和441~575hPa的误差分别是(0.76±1.56)%和(–0.05±1.16)%,与太平洋区域飞机观测在500hPa的误差为(12.64± 21.47)nmol/mol,可用于分析研究大气中的甲烷分布和传输规律[19-20].也有研究表明,AIRS甲烷产品在南亚地区季风期间与全球传输模式TM3模拟结果有一致的明显上升趋势,这与垂直动力传输和地表释放有关[21].

鉴于青藏高原地区平均海拔在4500m以上,本文中采用的AIRS甲烷反演资料为500、400、300、250、200hPa共五层的升轨反演资料.

2 结果与分析

2.1 AIRS反演资料与瓦里关观测资料对比

利用2003~2015年瓦里关大气甲烷浓度观测资料与AIRS反演资料进行月变化相关分析(图1a),相关系数从500到200hPa依次为0.790、0.791、0.787、0.786、0.791,平均相关系数为0.789,均通过了=0.01的显著性检验,为显著相关.瓦里关甲烷浓度年变化分析(图1b)表明,年平均甲烷浓度从地面到对流层顶逐渐下降,分别为1.857、1.830、1.815、1.799、1.788和1.775μmol/ mol,观测资料与反演资料的相关系数从500到200hPa依次为0.955、0.958、0.961、0.962、0.964,各高度平均相关系数为0.960,均通过=0.01的显著性检验,较月变化相关性更显著.

(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年瓦里关甲烷浓度线性倾向估计回归系数和相关系数

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年瓦里关甲烷浓度线性倾向估计回归系数和相关系数

高度回归系数[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:数据均通过=0.01的显著性水平检验.

2003年~2015年期间,瓦里关观测资料与反演资料月平均值均为夏季(6~8月)高、冬季(12~2月)低的单峰型变化(图1c),观测资料季节变化幅度为19.2nmol/mol,远小于反演资料平均变化幅度66.7nmol/mol.瓦里关逐月距平值从地面到200hPa整体表现均为缓慢增长趋势(图1d),其中2004~2006年基本不变,2006~2010年间缓慢增长,2011~2012年快速增长,2015年最高,分别达到1.896、1.863、1.848、1.830、1.819和1.803μmol/ mol,这与全球甲烷浓度变化总体趋势一致,但是快速上升时间点不一致[5].

对瓦里关甲烷浓度月、年变化进行线性倾向估计(表1),各高度均为缓慢上升趋势,月平均上升幅度为0.5nmol/(mol·a),年平均上升幅度为5.5nmol/ (mol·a).反演资料月、年上升幅度均高于观测资料,分别高出20%和6%,这可能是由于采样时间偏差或反演算法等造成的,仍需要进一步验证[20].

利用曼-肯德尔法(Mann-Kendall)对瓦里关观测资料和反演资料月数据进行突变分析(图2),在=0.05的显著性检验范围内没有交叉点,不能确定是否存在突变,但是存在整体上升趋势,各高度均在2007年开始显著上升,具有比较好一致性.

利用滑动检验方法对观测资料和反演资料逐月距平分别进行间隔为12、18、24个月的突变分析(图3),瓦里关甲烷浓度在2004~2005年均出现了一次由增高到降低的突变,在2008年和2010~2011年均出现了一次由降低到增高的突变,突变时间范围比较一致,基本通过=0.05的显著性检验.但是甲烷浓度观测数据在2009年前后比反演数据多了一次由降低到增高的突变,具体原因需要进一步深入研究.

综上分析,瓦里关甲烷浓度AIRS反演资料和观测资料时间序列具有显著相关性,月、年变化趋势和突变时间比较一致,可以用来分析青藏高原甲烷浓度变化特征.由于反演资料和观测资料的采样频次和采样高度不同步,且缺乏甲烷垂直观测数据,ARIS反演产品与观测数据可能存在的误差仍需要进一步研究.

(a)12个月,(b)18个月,(c)24个月

2.2 青藏高原甲烷空间分布特征

利用AIRS甲烷浓度反演资料,分析青藏高原地区2003~2015年对流层甲烷浓度的年平均和季节平均分布,结果表明:青藏高原甲烷浓度随高度上升呈现显著降低趋势(图4a),各层年平均甲烷浓度分别为1.829、1.818、1.804、1.795和1.782μmol/mol,与我国其他地区趋势一致[31].在水平分布上,甲烷浓度存在显著的东西差异,东南高、西北低,且随着高度上升此差异逐渐减弱,分界线基本位于羌塘高原东缘——三江源西北地区一线.东南部高值中心主要位于西藏东部、云南、四川一带,这可能与该地区海拔较低、人口较密集造成的人类活动较多有关;低值中心位于羌塘高原和三江源西北地区,与高原平均海拔显著上升、无人区的范围基本一致.高原西南喜马拉雅山沿线存在稳定的高值中心,这可能断裂带地质排放等相关,具体原因有待于进一步研究.

如图4b~e所示,青藏高原甲烷浓度在夏季最高,秋季、冬季其次,春季最低,春夏秋冬平均甲烷浓度分别为1.788、1.822、1.819和1.793μmol/mol.夏秋季节高原东南-西北分界线以两侧高、中间低的“山谷型”稳定存在,北部祁连山以南——柴达木盆地出现甲烷浓度高值区域,整个高原分布差异明显弱于较冬季季节,这可能与夏秋植被茂盛、人类活动增多等相关.冬春季节甲烷浓度的东南、西北差异明显,西北明显低于东南部.

对青藏高原甲烷浓度消除季节变化影响后进行EOF分析,各高度第一模态(图5)的累积方差贡献比例远大于第二模态,解释方差分别为79.7%、83.9%、87.7%、89.0%、89.6%.

消除季节变化影响后,甲烷浓度主要呈现纬向分布,载荷量大值区主要在高原中部偏南地区,说明此地是甲烷浓度变率最大的地区,也是甲烷浓度增加的异常敏感区.出现这种情况的原因可能是高原多年冻土区融化造成甲烷浓度变率异常.随着高度上升载荷量大值区面积逐渐缩小、差异逐渐减弱,冻土消融的变异影响减弱.从时间系数可以看出(图略),2008年后青藏高原各层均为南部高于北部、中部最高的分布型,2008年前为相反分布.

2.3 青藏高原甲烷时间演变特征

对青藏高原甲烷浓度的月变化和年变化分析表明(图6a、6b),在2003~2015年间青藏高原甲烷浓度基本随时间呈缓慢上升趋势,2015年甲烷浓度最高,分别达到1.861、1.850、1.836、1.826和1.811μmol/mol.

利用相关分析和线性倾向估计(表2),2003~ 2015年青藏高原甲烷浓度各高度上升趋势完全一致、增长速率基本相同,平均相关系数达0.9995,对流层平均年增长速度为5.2nmol/ (mol·a).各高度甲烷浓度年际变化存在明显的分段特征,其中2008~2010年未增长;2003~2004年、2007~2008年、2010~2012年快速上升,平均上升速度分别为10.6、14、12nmol/(mol·a);2004~2007年和2012~2015年缓慢上升,平均上升速度分别为1.1nmol/(mol·a)和2.5nmol/(mol·a),与全球甲烷浓度上升趋势基本一致,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

均通过α=0.01的显著性水平检验.

从图6c可以看出,青藏高原甲烷浓度具有显著季节变化,夏季最高,春季最低,春夏秋冬平均甲烷浓度分别为1.788、1.822、1.819和1.793 μmol/mol,呈现典型单峰分布,这与中国东部、北部地区的冬、夏双峰型季节变化特征不同[13],这可能是因为夏秋季是青藏高原全年CH4生物源排放和冻土释放甲烷最旺盛时期,冬春季生物源排放和冻土释放基本消失造成的.随着高度上升甲烷浓度逐渐降低,季节变化更为明显,变化幅度分别约为55.6、57.8、61.0、62.0、60.7nmol/mol,与其他文献分析结果一致[14].

青藏高原各季节甲烷浓度均为持续上升趋势(图6d-g),秋冬季节在2005~2006年出现小幅下降,春夏季节在2009~2010年在出现小幅下降,冬春季节在2013~2014年出现小幅下降.对季节变化进行线性趋向估计(表2),2003~2015年青藏高原甲烷浓度春夏秋冬各季节增长速率分别为5.2、5.2、5.5和5.1nmol/(mol·a),秋季上升最快,冬季上升最慢.各季节在不同高度增长速率不同,春、秋、冬季从低到高增长速率逐渐降低,500hPa增长最快,为5.6nmol/(mol·a);夏季从低到高增长速率先增加后减少,在对流层上层250hPa增长最快,为5.4nmol/(mol·a),可能是夏季在对流层下部对流较强,低层甲烷输送到上层较多造成的.

本节仅对青藏高原对流层甲烷浓度时空分布的事实进了分析,更深入产生变化的原因以及对气候变化的反馈作用的研究有待进一步开展.

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

3 结论

3.1 2003~2015年瓦里关甲烷浓度观测资料与反演资料月、年、季度变化趋势呈显著相关,各高度甲烷浓度均缓慢上升,存在夏季最高、春季最低的单峰型季度变化,其中2006年后持续上升,2008、2012年快速上升,反演资料月、年上升幅度均高于观测资料,分别高出20%和6%;观测资料季节变化幅度为19.2nmol/mol,反演资料平均变化幅度为66.7nmol/mol,远大于观测资料季节变化幅度.

3.2 青藏高原甲烷浓度随高度上升呈现显著降低趋势,甲烷浓度东南高、西北低,分界线基本位于羌塘高原东缘——三江源地区西北一线.东南高值中心主要位于西藏东部、四川和云南一带,这可能与人口活动密集有关;羌塘高原和三江源西北为甲烷低值中心,与高原平均海拔显著上升、无人区的范围基本一致.高原西南喜马拉雅山沿线存在稳定的高值中心.消除季节变化影响后,主要呈现纬向分布,高原中部偏南地区是甲烷浓度变率最大的地区,也是甲烷浓度增加的异常敏感区.

3.3 2003~2015年青藏高原甲烷浓度持续上升,年增长速度为5.2nmol/(mol·a),秋季上升最快,冬季上升最慢,其中2008~2010年未增长;2003~ 2004年、2007~2008年、2010~2012年快速上升, 2004~2007年和2012~2015年缓慢上升,2013~ 2015年上升速度比全球上升速度低.随着高度上升,春、秋、冬季的增长速率逐渐降低,500hPa增长最快,为5.6nmol/(mol·a);夏季的增长速率先增加后减少,在250hPa增长最快,为5.4nmol/ (mol·a).

3.4 青藏高原甲烷浓度具有显著季节变化,夏季最高,春季最低,呈现典型单峰分布,这可能是因为夏秋季是青藏高原全年CH4生物源排放和冻土释放甲烷最旺盛时期,冬春季生物源排放和冻土释放基本消失造成的.随着高度上升甲烷浓度逐渐降低,季节变化更为明显.

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致谢：感谢青海瓦里关本底站业务人员在野外现场的辛勤工作,感谢NOAA/ESRL提供经过质量控制的瓦里关flask瓶采样比对分析数据,感谢NASA提供的AIRS官方反演的对流层CH4体积混合比产品.

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

冯冬霞(1981-),女,河南焦作人,高级工程师,中国科学院西北生态环境资源研究院博士研究生,主要从事气候变化及其预测方面研究.发表论文4篇.

2017-01-10

国家自然科学基金项目(91437108);中国科学院西北生态环境资源研究所青年基金项目(51Y651L01)

* 责任作者, 研究员, xqgao@lzb.ac.cn