AIRS反演中國對流層中層大氣CH4濃度的變化特征

龐 皓，鄭景治

(安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232000)

1 引言

甲烷(CH4)作為僅次于二氧化碳(CO2)的第二大溫室氣體，有2種來源，自然界和人為排放，在對流層及以上空間中發揮重要的化學作用[1]。甲烷作為一種在大氣中含量較低的溫室氣體，其溫室效應僅次于CO2，其輻射效率(3.63×10-4(W/m2)/10-9)是CO2(1.37×10-5(W/m2)/10-9)的26.5倍[2,3]。

因此研究中國大氣CH4濃度的變化特征，有助于了解我國大氣CH4的長期趨勢與變化規律，為我國CH4的減排提供可靠數據與指導。考慮到我國幅員遼闊，使用衛星遙感檢測大氣CH4濃度，可以避免地面和空中檢測的缺點。本文使用AIRS上的2003年1月份至2019年12月份的CH4濃度數據，對中國對流層中層大氣CH4濃度進行了分析與研究。

2 數據資料

AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)是搭載在Aqua衛星上的大氣紅外探測儀，每天掃描地球兩次，光譜分辨率(λ/Δλ=1200)高。本文利用的是AIRS觀測的AIRS3STM(大氣CH4月平均觀測數據)資料，水平分辨率為1°×1°。考慮到這臺儀器的對CH4的峰值敏感層在北半球的500 hPa大氣壓左右，位于對流層中層，受氣溶膠和云的影響相對較小[4]。本文采用的AIRS的CH4數據為500 hPa壓力層的反演資料。

3 結果與分析

從2003～2019年的17年間，500 hPa下中國區域的對流層中層大氣CH4的年平均濃度逐年增加(圖1)，年平均濃度從2003年的1797.45×10-9增加到2019年的1873.87×10-9，17年間大氣CH4濃度增加了76.42×10-9，增幅為4.25%，年均增長率約為4.50×10-9/a；同期全球的對流層中層大氣CH4的年平均濃度從2003年的1773.15×10-9增加到2019年的1837.69×10-9，CH4的濃度共增加了64.54×10-9，增幅為3.64%，年均增長率約為3.80×10-9/a。中國地區的CH4年均濃度及其增長率皆大于全球平均水平。

圖1 500 hPa處，2003～2019年中國和全球大氣CH4年均濃度

圖2為2003～2019年中國地區對流層中層(500 hPa)處，大氣CH4月平均濃度的變化。其表現出CH4濃度具有顯著的月周期特性，大約一個周期為12個月。整體來看，大氣CH4濃度含量既有上升趨勢，也有周期特性。各月的對流層中層的CH4濃度均高于上年同月，這反映了對流層大氣中CH4濃度隨時間持續上升的事實。

圖2 500 hPa處，2003～2019年中國大氣CH4月均濃度

為了詳細探究中國對流層中層大氣CH4濃度的季節變化，對AIRS的CH4資料進行了月變化分析(圖3)。可以看出，中國上空500h Pa處的大氣CH4濃度總體上呈高-低峰變化規律，季節變化特征明顯，秋冬季節的CH4濃度比春夏季節高，最高值出現在9月，約為1847.32×10-9，最低值出現在5月，約為1817.01×10-9。出現這種現象的原因可能有以下原因：與水稻大量種植有關，我國是世界上最大的水稻種植國，而水稻排放的CH4是中國排放CH4的重要來源之一[5]；秋冬時節，供暖等人類活動導致化石燃料的大量消耗，造成CH4的大量排放。

圖3 500 hPa處，2003～2019年中國大氣CH4平均月變化

4 結論

(1) 2003～2019年，中國區域的對流層中層大氣CH4年平均濃度顯著增加，與時間呈正相關，且增長率高于全球平均水平。

(2) 中國區域的對流層中層大氣CH4濃度具有明顯季節變化特征，總體表現為秋冬季較高，春夏季較低，9月為濃度峰值，5月為濃度低谷。