氣(qi)(qi)(qi)(qi)候(hou)變化(hua)問題日(ri)益嚴峻(jun),甲(jia)烷(wan)是僅(jin)次(ci)于二氧化(hua)碳的全球(qiu)第二大溫室氣(qi)(qi)(qi)(qi)體,其大氣(qi)(qi)(qi)(qi)濃度變化(hua)對(dui)氣(qi)(qi)(qi)(qi)候(hou)系統影響顯著。近(jin)年來全球(qiu)甲(jia)烷(wan)濃度快速上升,甲(jia)烷(wan)源(yuan)匯變化(hua)與調控機制備受關注(zhu)。全球(qiu)甲(jia)烷(wan)源(yuan)匯收支不僅(jin)受到自然排放和人(ren)為活動的影響,還與空氣(qi)(qi)(qi)(qi)污染(ran)之間存(cun)在著復(fu)雜的相(xiang)互作用。
近日,清(qing)華大(da)學(xue)深(shen)圳國(guo)際研(yan)(yan)究(jiu)生(sheng)(sheng)院環境與(yu)生(sheng)(sheng)態研(yan)(yan)究(jiu)院副教授鄭(zheng)博帶(dai)領(ling)由中(zhong)國(guo)、法國(guo)和德國(guo)學(xue)者構成的國(guo)際研(yan)(yan)究(jiu)團隊(dui),系統揭示了空(kong)氣污染如何通過調(diao)節大(da)氣中(zhong)羥基自由基(OH)濃度(du)來影響(xiang)全球甲(jia)烷收支,為應對全球氣候變化、協同開展減(jian)污降碳(tan)提供(gong)了新(xin)的理論基礎。
全球(qiu)大氣(qi)甲(jia)烷(wan)(wan)濃度(du)自(zi)2007年(nian)以(yi)來(lai)急劇上(shang)升。除來(lai)自(zi)濕(shi)地(di)、能源(yuan)、農業和(he)廢(fei)棄物(wu)等自(zi)然(ran)和(he)人為甲(jia)烷(wan)(wan)排(pai)放(fang)源(yuan)外,甲(jia)烷(wan)(wan)在(zai)大氣(qi)中的氧(yang)化(hua)去除過程也是調控其濃度(du)的關鍵因素。羥基自(zi)由基OH是大氣(qi)中最重要的氧(yang)化(hua)劑,約(yue)90%的甲(jia)烷(wan)(wan)化(hua)學(xue)匯(hui)(即甲(jia)烷(wan)(wan)被消耗過程)由OH貢獻(xian)。然(ran)而,長(chang)期以(yi)來(lai),科學(xue)界(jie)對于空氣(qi)污染(ran)(ran)物(wu)如何在(zai)數十(shi)年(nian)時間尺度(du)上(shang)影響全球(qiu)OH以(yi)及甲(jia)烷(wan)(wan)收支的量化(hua)研究仍不完善。傳統研究通常僅(jin)依賴(lai)單一的觀測數據或大氣(qi)模型模擬,難以(yi)全面捕(bu)捉空氣(qi)污染(ran)(ran)物(wu)、OH濃度(du)以(yi)及甲(jia)烷(wan)(wan)匯(hui)之間的復雜動態(tai)交互關系。
該(gai)研究創新(xin)性地(di)開發了(le)一種(zhong)集成大(da)氣觀測(ce)和過程模型耦合驅動(dong)的(de)研究框架(jia),量化了(le)全(quan)球(qiu)主(zhu)要空氣污(wu)(wu)染(ran)物對(dui)甲烷(wan)化學匯的(de)影響。研究團隊利用先進的(de)大(da)氣化學模型、多源大(da)氣成分觀測(ce)與再分析(xi)(xi)數(shu)據,結合化學箱模型敏感性實驗構建OH對(dui)其前(qian)體物濃度變(bian)化的(de)響應曲線,系(xi)統分析(xi)(xi)了(le)2005年至2021年間,全(quan)球(qiu)一氧(yang)化碳(CO)、臭(chou)氧(yang)(O3)、水汽(H2O(g))、氮氧(yang)化物(NOX)和總臭(chou)氧(yang)柱(TCO3)等主(zhu)要OH前(qian)體物時空變(bian)化對(dui)全(quan)球(qiu)OH和甲烷(wan)收(shou)支(zhi)的(de)系(xi)統影響。這種(zhong)方法(fa)不僅考(kao)慮了(le)全(quan)球(qiu)尺度上(shang)的(de)長期整體變(bian)化,還關注了(le)時空異質(zhi)性,為(wei)理解空氣污(wu)(wu)染(ran)與甲烷(wan)收(shou)支(zhi)之間的(de)相互作用提供了(le)全(quan)新(xin)的(de)視(shi)角。
研究發現(xian),2005年至2021年間,全(quan)(quan)球(qiu)(qiu)臭氧(yang)、水(shui)汽濃(nong)度(du)(du)增(zeng)加(jia),一氧(yang)化碳濃(nong)度(du)(du)降低,這(zhe)些變化共同(tong)驅動(dong)全(quan)(quan)球(qiu)(qiu)OH濃(nong)度(du)(du)顯著上升,年增(zeng)長率達到0.2%至0.4%。受全(quan)(quan)球(qiu)(qiu)OH濃(nong)度(du)(du)上升影(ying)響,全(quan)(quan)球(qiu)(qiu)甲(jia)烷(wan)匯增(zeng)加(jia)了1.3至2.0 Tg/yr2,顯著減緩(huan)了大氣(qi)中甲(jia)烷(wan)的(de)(de)(de)增(zeng)長速度(du)(du)。這(zhe)一甲(jia)烷(wan)匯的(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)主要集中在熱帶地區,并呈(cheng)現(xian)出(chu)明顯的(de)(de)(de)全(quan)(quan)球(qiu)(qiu)南(nan)北半球(qiu)(qiu)變化不(bu)對稱性(xing)(xing)特征(zheng)。北半球(qiu)(qiu)中高緯度(du)(du)地區的(de)(de)(de)OH濃(nong)度(du)(du)與甲(jia)烷(wan)匯的(de)(de)(de)變化受到更多(duo)人(ren)為(wei)活動(dong)的(de)(de)(de)影(ying)響。這(zhe)種(zhong)全(quan)(quan)球(qiu)(qiu)與區域尺度(du)(du)的(de)(de)(de)協同(tong)分(fen)析,為(wei)制定針(zhen)對性(xing)(xing)的(de)(de)(de)空氣(qi)質(zhi)量(liang)和氣(qi)候(hou)政策提供了科學依據。
研究指出,在極端事(shi)件(jian)期間,如2015-2016年的超(chao)強厄爾尼諾事(shi)件(jian)和2020-2021年的新(xin)冠疫情期間,空氣(qi)污染物濃(nong)(nong)度(du)的劇(ju)烈變化對OH濃(nong)(nong)度(du)和甲烷(wan)匯(hui)產生了(le)短期顯著影響。例如,在2015-2016年厄爾尼諾事(shi)件(jian)期間,熱帶地區的大(da)(da)規(gui)模野(ye)火導致(zhi)一(yi)氧化碳濃(nong)(nong)度(du)大(da)(da)幅上升,削弱了(le)全球(qiu)甲烷(wan)匯(hui),增(zeng)加(jia)了(le)大(da)(da)氣(qi)中甲烷(wan)濃(nong)(nong)度(du)。在新(xin)冠疫情期間,人類(lei)活動減少,臭氧濃(nong)(nong)度(du)下降,導致(zhi)OH濃(nong)(nong)度(du)降低,進(jin)而使甲烷(wan)匯(hui)減少,部分抵消了(le)因人為(wei)排放減少帶來的甲烷(wan)增(zeng)長放緩效應,刺激了(le)全球(qiu)甲烷(wan)濃(nong)(nong)度(du)增(zeng)速的進(jin)一(yi)步快速上升。

圖1.OH自由基前體物驅動的全球對流層OH自由基濃度和甲烷匯的變化
研究(jiu)闡明,全球空(kong)(kong)氣(qi)污染與甲烷(wan)源(yuan)(yuan)匯收(shou)支(zhi)之間存在(zai)復雜(za)相(xiang)互作用,揭示(shi)了實施空(kong)(kong)氣(qi)質量和(he)氣(qi)候政(zheng)(zheng)策時需(xu)(xu)要綜合考(kao)慮(lv)兩者(zhe)之間的(de)(de)協(xie)同效應(ying)。例如,雖然減(jian)(jian)(jian)少(shao)臭氧(yang)污染有助于(yu)改(gai)善(shan)(shan)空(kong)(kong)氣(qi)質量,但可能會降低OH濃(nong)度,進而減(jian)(jian)(jian)少(shao)甲烷(wan)的(de)(de)氧(yang)化匯,導致甲烷(wan)濃(nong)度上升。因此,未來需(xu)(xu)要在(zai)減(jian)(jian)(jian)少(shao)空(kong)(kong)氣(qi)污染物(wu)排放(fang)的(de)(de)同時,系統評估其對全球甲烷(wan)收(shou)支(zhi)的(de)(de)影響(xiang),以實現(xian)空(kong)(kong)氣(qi)質量改(gai)善(shan)(shan)和(he)氣(qi)候目標的(de)(de)雙贏,在(zai)減(jian)(jian)(jian)污降碳(tan)政(zheng)(zheng)策實施中(zhong)不僅需(xu)(xu)考(kao)慮(lv)源(yuan)(yuan)還應(ying)考(kao)慮(lv)匯一側的(de)(de)交(jiao)互作用。
研(yan)究(jiu)為監測和評估(gu)全球OH濃度(du)(du)及其(qi)對甲(jia)烷匯的(de)(de)(de)影響提供了一種(zhong)新(xin)的(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)模型(xing)工具。通過定(ding)期更新(xin)驅動因子(zi)輸入數據,研(yan)究(jiu)構建的(de)(de)(de)模型(xing)系統可以(yi)跟蹤(zong)OH濃度(du)(du)的(de)(de)(de)時空變化(hua)(hua),為動態研(yan)究(jiu)其(qi)對全球甲(jia)烷收(shou)支(zhi)的(de)(de)(de)調控作用提供支(zhi)持。這對于制定(ding)科學合理的(de)(de)(de)氣(qi)候政策以(yi)應對氣(qi)候變化(hua)(hua)具有重要現實意義。

圖2.全球空氣污染與OH自由基、甲烷源匯收支之間的復雜相互作用
相關研(yan)究(jiu)成果以(yi)“大氣污染影響(xiang)全球甲烷收支的趨勢和年(nian)際(ji)變化”(Air pollution modulates trends and variability of the global methane budget)為(wei)題(ti),于(yu)5月28日以(yi)研(yan)究(jiu)論(lun)文(wen)(Article)形(xing)式發表于(yu)《自然》(Nature)。
鄭博為論文(wen)(wen)通訊作(zuo)者(zhe),中(zhong)(zhong)國(guo)海洋大學(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)副(fu)教(jiao)授趙園紅為論文(wen)(wen)第一(yi)作(zuo)者(zhe)。論文(wen)(wen)作(zuo)者(zhe)還包括中(zhong)(zhong)國(guo)科(ke)學(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)院(yuan)外籍院(yuan)士、清(qing)華大學(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)杰出(chu)訪(fang)問教(jiao)授、法國(guo)環(huan)境(jing)與氣候(hou)科(ke)學(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)實驗(yan)(yan)室研究(jiu)員菲利(li)普·西亞斯(Philippe Ciais),來(lai)自(zi)法國(guo)環(huan)境(jing)與氣候(hou)科(ke)學(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)實驗(yan)(yan)室、德國(guo)于利(li)希研究(jiu)中(zhong)(zhong)心的多名合作(zuo)者(zhe),以及(ji)中(zhong)(zhong)國(guo)海洋大學(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)與清(qing)華大學(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)深圳國(guo)際研究(jiu)生院(yuan)的研究(jiu)生。
研究得到國家自然科學基(ji)金、深圳市生態修復與固碳增匯(hui)重點實驗室和山東省自然基(ji)金等項目的支持。
論文鏈接:
//www.nature.com/articles/s41586-025-09004-z
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