永興島大氣CH4濃度變化特征及影響因子研究

姜亦飛,王先橋,王海燕,許宇山,呂洪剛*

永興島大氣CH4濃度變化特征及影響因子研究

姜亦飛1,2,王先橋1,2,王海燕2,許宇山3,呂洪剛1,2*

(1.國家海洋環境預報中心,自然資源部海洋災害預報技術重點實驗室,北京 100081；2.國家海洋環境預報中心,北京 100081；3.國家海洋局三沙海洋環境監測中心站,海南 海口 570311)

依托國家海洋局三沙海洋環境監測中心站,基于激光大氣溫室氣體分析儀(GLA331-GGA),搭建了一套全自動、連續、高精度觀測大氣CH4的觀測系統.通過氣團后向軌跡輸送特征,結合數值統計方法(局部近似回歸法),對西沙永興島區域2013年12月～2017年11月期間的觀測數據進行了數據篩分和分析.結果顯示:西沙海域大氣CH4季節變化與北半球大氣本底變化狀況類似,冬季高、夏季低,年平均增長率約為11.9′10-9,年平均季節振幅為81.1′10-9;其日變化呈現中午低、凌晨高的單周期正弦變化特征;該區域風場數據和氣團后向軌跡分析表明:季風是影響該區域CH4濃度變化的最主要因素.

大氣CH4；區域本底；永興島

甲烷(CH4)是大氣中最主要的溫室氣體之一,其輻射強迫僅次于CO2,單位濃度CH4的輻射強迫效應是CO2的20倍以上[1-4].同時,作為大氣中重要的化學活性含碳化合物,CH4可與大氣O3和HO發生光化學反應,從而改變大氣組分比例[5].據世界氣象組織2019年溫室氣體公報報道:排入大氣中的CH4,約40%是通過自然源(例如濕地和白蟻),其余約60%來自人為源(例如養牛、水稻種植、化石燃料利用、垃圾填埋和生物質燃燒)[6].最新觀測數據表明,2020年全球大氣CH4本底濃度(本文所指的濃度是指體積混合比或摩爾分數)年平均值已達1879.1×10-9,而工業革命前的大氣CH4為720×10-9,增加了1.5倍左右,CH4年平均增幅從20世紀80年代初的每年約13×10-9減少到1999～2006年的接近于零,自2007年以來,大氣CH4再次上升,年平均增幅約為7×10-9,大氣CH4濃度的持續增長將導致溫室效應繼續加強,進而直接影響全球氣候變化[6-8].由于CH4在大氣中的停留時間相對較短,一般為8～12a,其濃度變化主要受短期排放和大氣輸送影響,也受長期積累的影響.因此,深入了解不同區域大氣CH4濃度變化特征及影響機制,對科學制定溫室氣體減排政策、積極應對氣候變化具有十分重要的意義[9].

海洋作為大氣CH4的一個自然源,大部分海洋水體中的CH4均處于不同程度的過飽和狀態,其釋放CH4的量約占全球釋放總量的2%～4%[10].其中占海洋面積約15.2%的陸架海的CH4釋放量占全球海洋CH4釋放總量的68%[11],CH4同時也是海洋中碳循環的重要產物,因此國內外的學者對其在大洋、海灣以及近岸海域中的產生、時空分布、季節變化和海-氣交換通量等進行了廣泛研究[12-14],但對于海洋大氣中CH4的時空變化分布和影響因子等研究相對較少,在估算全球海洋釋放CH4量時還存在很大的不確定性[15].

本文以海島基實測大氣溫室氣體數據為研究對象,首次報道了南海大氣CH4的區域本底濃度變化特征,分析了不同季節CH4濃度變化的主控影響因子.永興島作為西沙群島陸地面積最大的島嶼,在南海具有重要的戰略地位,生態系統多樣且復雜,受季風影響顯著.永興島長期、連續、高精度大氣CH4數據能為獲取CH4空間分布信息、彌補近地面觀測不足、校正模式參數化方案、研究南海上空CH4在區域氣候變化中的作用提供數據支撐,亦能為中國應對氣候變化、參與國際氣候變化談判提供數據支持和保障.

1 材料與方法

1.1 研究區域

三沙市永興島位于南海西沙群島中部,距離海南三亞市僅340km左右,是西沙群島陸地面積最大的島嶼,地勢平坦,面積約2.6km2;永興島地處北回歸線以南,屬于熱帶季風氣候,兼具海洋性氣候特點,冬季以東北季風為主導風向,夏季以西南季風為主導風向,雨季為每年5～6月,年降水量達1509.8mm.

1.2 觀測儀器與方法

溫室氣體觀測系統的進氣口布設于三沙海洋環境監測中心站的樓頂(16.83°N, 112.33°E,海拔約18m),系統使用的高頻激光溫室氣體分析儀型號為GLA331-GGA,該型號儀器內部自控溫,受外部環境影響小,激光飄移小,測量更穩定,采用離軸積分腔輸出光譜技術(OA-ICOS),可以同時測量大氣中的CO2、CH4和H2O(水汽)濃度,采樣頻率為1HZ.該儀器的原理是利用特定波長的激光在光腔內多次反射,反射鏡和目標氣體均造成入射光能量的衰減,根據空光腔和充滿樣品氣時激光衰減到0的時間不同,即可定量樣品中目標氣體的濃度.Mahesh等[16]O’Shea等[17]對該技術的原理和實際應用進行過比較詳細的描述.

觀測系統使用的標準氣體是中國氣象科學研究院提供的可溯源至世界氣象組織國際標準的標氣,其廣泛應用于瓦里關、龍鳳山、臨安等全球大氣本底站和區域大氣本底站[18-20],本站所用的標氣信息如表1所示;本系統CH4的測量精度為1×10-9, CO2測量精度為100×10-9,系統每天校準1次.此外,現場值班人員會定期對系統的硬件和軟件進行定時檢查.文中所用的氣象資料為三沙海洋環境監測中心站業務觀測數據;瓦里關、Mauna Loa、Tiksi站的數據來源于WDCGG(http://ds.data.jma.go.jp/ gmd/wdcgg/);MeteoInfo軟件所用的氣象數據來源于美國國家環境預報中心的全球氣象資料同化系統(GDAS)(ftp://arlftp.arlhq.noaa.gov/pub/archives).

表1 標氣的濃度和標準偏差

注:1、2、3分別代表觀測系統使用的低、中、高濃度標氣.

1.3 區域本底濃度數據篩分

觀測區域大氣CH4濃度會受到局地條件和人為活動影響,短時間內造成濃度的迅速抬升,因此對觀測數據進行篩分能獲取真實反映該區域大氣CH4本底特征的數據,是開展南海大氣CH4分析研究的基礎.

常見的大氣成分篩分方法主要有黑炭(BC)示蹤法、氣象要素法、局部近似回歸法(REBS)等,Fang等[21]在相關文獻中做過非常詳細的報道和對比研究.針對海洋大氣CH4來源特征,本研究采用局部近似回歸法,基于R數值統計軟件中的IDP-Misc程序包對西沙大氣CH4濃度進行篩分.該方法由中國氣象科學研究院開發,經比對證實可用于長期觀測數據本底濃度篩分[22].局部近似回歸法是一種統計學方法,利用與均值差異大于3作為標準,在一段較短時間內對觀測值進行估計,并且考慮溫室氣體濃度長期或短期的微小變化,局部近似回歸擬合[23].本底值為假設大氣均勻混合狀態的值,是大氣環境中可能的最低值,因此任何源或匯的因素只會增大或降低本底值,不會有不規則變動的情況發生.

2 結果與討論

2.1 數據篩分結果

基于局部近似回歸法(REBS),對2013年12月～2017年11月觀測期間永興島大氣CH4濃度進行了區域本底篩分,結果如圖1示.

圖1 西沙大氣CH4濃度本底值篩分(2013年12月～2017年11月)

圖2 CH4實際濃度和本底濃度月平均對比(2013年12月～2014年11月)

由圖1可見,CH4本底濃度值夏季最低.非本底濃度值受到區域或局地排放源的影響,使CH4濃度有較大的抬升.本底濃度呈相對較平穩的基線,波動小,非本底濃度數據波動較大.經分析,約80%的數據被篩分為本底濃度值;20%數據為源抬升濃度值.連續4年數據顯示: CH4實際濃度與本底濃度的差值最大值出現在冬季,而處于季風交替月份的5月份差值最小.由圖2可見,CH4年均實際濃度和本底濃度的月均差值最大值為1月份的15.8×10-9,最小值出現在5月份,為2.0×10-9,全年的差值平均值為7.7×10-9.

2.2 西沙大氣CH4區域本底濃度變化特征

2.2.1 日變化特征 如圖3所示,2013年12月～2017年11月4個季節西沙大氣CH4區域本底濃度日變化(小時平均)特征總體呈現“白天低、夜晚高”的單峰型特征(圖3a).由圖3b可見,2013年12月～2017年11月CH4全年均值最低值出現在13:00～ 14:00,而23:00～00:00左右值最高.其原因可能是:白天西沙海域光照強度較大,大氣中OH自由基濃度較高,CH4的分解速度在中午達到最高,且白天大氣對流傳輸條件一般較好,因此CH4濃度出現最低值;而隨著夜晚的來臨,光照減弱并逐漸停止,CH4的分解也逐漸停止,加上夜間大氣邊界層高度較低且相對穩定,有利于CH4在近地面積累,因此,夜間CH4濃度最高.該現象與陸地區域大氣CH4日變化特征是非常相似的[24].

盡管不同季節的濃度日變化特征總體相似,但在平均濃度、變化規律等方面亦存在差異.周凌晞等[25]和Dlugokencky等[26]統計分析了全球大氣CH4分布的研究中指出,全球大氣CH4的時空變化比較明顯,隨緯度而明顯變化,受區域氣候特征和局部源影響也較顯著.西沙的大氣氣團來源季節差異顯著,冬季主要受大陸氣團影響,夏季主要受西南季風影響,不同季節溫度差異引起的地表逆溫環境不同,也會影響大氣CH4濃度的變化.綜上所示,不同季節出現日變化幅度差異及變化時間的差異可以歸因于氣團來源和氣象因素的影響.

2.2.2 月變化特征 美國Mauna Loa全球大氣本底站(19.54o N, 155.58o W,海拔3397m)是全球最早建立的大氣基準觀測站,從20世紀50年代開始對大氣溫室氣體開展不間斷連續觀測;而瓦里關全球大氣本底站(36.28o N, 100.90o E,海拔3810m)是北半球內陸腹部唯一的大氣本底觀測站,是世界氣象組織全球大氣觀測系統的29個大氣本底基準觀測站之一;Tikis站(71.59° N, 128.92° E,海拔8m)位于俄羅斯,是全球為數不多的監測北半球高緯度地區溫室氣體濃度的觀測站.

圖3 不同季度和全年平均大氣CH4區域本底濃度日變化(2013年12月～2017年11月)

由圖4可見,西沙站、Mauna Loa站、瓦里關站、Tiksi站在2013年12月～2017年11月大氣CH4月平均濃度變化呈明顯的緯度分布,大致隨緯度的增高而增大,到北半球寒帶地區達到最大值,與WDCGG公布數據和Dlugokencky等發表的研究成果是一致的[26].俄羅斯有大片森林和濕地,天然氣和礦物燃料的開采和利用都比較大,這些都是CH4的主要來源之一[25-26];觀測期間,西沙站的大氣CH4月平均濃度為1797.3×10-9～1943.5×10-9,月濃度變化特征與其他幾個站一致,均呈現明顯的單峰型季節變化特征,冬季高、夏季低,振幅明顯高于Mauna Loa站和瓦里關站.主要由于Mauna Loa站地處太平洋,遠離大陸,人為干擾非常小,氣象條件和氣候條件相對穩定,取樣點海拔較高,氣團混合均勻;瓦里關站位于青藏高原,是歐亞大陸唯一的內陸全球大氣基準觀測站,人為干擾也較小,海拔達3810m,氣象條件和氣候條件亦相對穩定,氣團混合均勻;而西沙站位于南海北部海域,屬于熱帶海洋性季風氣候,常年受季風影響,受到北部中國大陸高濃度氣團和印度洋上空低濃度氣團的交替影響,因此西沙站振幅明顯高于Mauna Loa站和瓦里關站.西沙站大氣CH4濃度季平均振幅約為81.1×10-9,遠高于Mauna Loa站和瓦里關站,所在區域生態環境特征、氣象條件和氣團輸送的差異是西沙站季節振幅偏大的主要原因.

通過計算,2013年12月～2017年11月期間,Mauna Loa、瓦里關和Tiksi站大氣CH4濃度緩慢升高,月平均濃度曲線斜率分別為0.65、0.67和0.55,而基于現有觀測數據的西沙站大氣CH4濃度的增長率高于這三個站,月平均濃度曲線斜率約為0.99,后面的章節將基于氣團后向軌跡等對這一現象作初步探討.

圖4 西沙站與Mauna Loa、瓦里關、Tiksi站多年大氣CH4月平均濃度變化(2013年12月～2017年11月)

2.3 影響因子分析和討論

文獻報道的30年氣候態數據顯示[27]:西沙地區從當年9月5候至次年3月3候低層盛行東北風、最大平均風速出現在11月和12月,約6.5m/s.3月4候9月3候盛行東南風和西南風,最大候平均風速為5m/s,該氣候態數據與三沙海洋環境監測中心站的業務觀測數據是非常一致的.

如圖5所示,冬季西沙的主導風向為NNE-NE- ENE-E,而夏季西沙的主導風向為S-SSW-SW- WSW.對照濃度數據發現:冬季CH4在NE-NE- ENE-E扇區的濃度值顯著高于其他扇區,而夏季在N和S-SSW扇區的濃度值顯著低于其他扇區.此外,夏季CH4濃度顯著偏大的扇區位于SW-WSW-W- WNW-NW扇區,這是與其他3個季節最顯著的差別,說明在夏季,西沙區域CH4受該扇區過來的氣團影響更大.

圖5 西沙不同季節風向-頻率玫瑰

氣象數據直觀的給出了氣團來源的扇區,為了進一步研究不同季節氣團的來源分布,我們基于MeteoInfo軟件,結合“NCEP/NCAR”氣象資料,利用插件“TrajStat”對觀測期間每天06:00做120h后向軌跡并進行聚類分析,連續4年的結果顯示(圖6):研究區域每年各季度后向軌跡分布非常相似,冬季超過70%的氣團來源于我國東南沿海地區,而衛星遙感數據顯示冬季該區域是我國大氣CH4濃度含量較高的區域[28-30],因此冬季是西沙大氣CH4最高的季節;夏季(6月～8月)受西南季風影響,約85%的氣團來源于大氣CH4濃度較低的印度洋方向,平均濃度最低;春季(3月～5月)和秋季(9月～11月)處于東北季風和西南季風交替季節,氣團軌跡亦呈現交替變化,大氣CH4濃度低于冬季,高于夏季.

區域大氣CH4的濃度主要受自然源和人為源排放影響,由于大氣CH4的時空變化率太大,對CH4源區分布及變化的認識也很不夠,目前的各種實驗及模式研究都還不能很好地解釋這種增長的不規則變化[25].項目組后續將基于渦動相關法、箱式通量法、衛星遙感反演、數值模擬等方法對永興島及周邊區域開展CH4通量觀測,結合更長時間序列的大氣CH4觀測濃度變化規律,對比周邊國家和區域CH4排放數據,開展進一步研究.

圖6 不同季度72h后向軌跡簇聚類分析

3 結論

3.1 西沙海域大氣CH4濃度呈現明顯的單峰型季節變化特征,冬季高、夏季低;受顯著的熱帶海洋季風氣候和區域地理環境的影響,濃度季節變化幅度顯著高于Mauna Loa、瓦里關等全球本底站,季節平均振幅約為81.1×10-9;不同季節CH4濃度日變化(小時平均)特征總體一致,基本呈現“白天低、夜晚高”的單峰型特征.

3.2 西沙永興島海域季風特征明顯,冬季CH4在NE-NE-ENE-E扇區的濃度值顯著高于其他扇區,而夏季在N和S-SSW扇區的濃度值顯著低于其他扇區.冬季來自中國東南沿海的高濃度氣團和夏季來自印度洋方向的低濃度氣團是季節尺度影響永興島海域大氣CH4濃度的最主要因素.

3.3 2013年12月～2017年11月,西沙永興島海域大氣CH4濃度平均增長速率略高于全球平均水平,基于實測數據計算的年平均增長率約為11.9×10-9.

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Concentration variation and impact factors of CH4in Yongxing Island.

JIANG Yi-fei1,2, WANG Xian-qiao1,2, WANG Hai-yan2, XU Yu-shan3, Lü Hong-gang1,2*

(1.Key Laboratory of Marine Hazards Forecasting, National Marine Environmental Forecasting Center, Ministry of Natural Resources, Beijing 100081, China；2.National Marine Environmental Forecasting Center, Beijing 100081, China；3.Sansha Marine Environmental Monitoring Center, State Oceanic Administration, Haikou 570311, China)., 2021,41(11)：5054～5059

Based on the laser greenhouse gas analyser (GLA331-GGA), an automatic continuous high-accuracy observation system was set up for real-time measurement of atmospheric CH4supported by the Sansha Marine Environmental Monitoring Center of State Oceanic Administration. According to the characteristics revealed by backward trajectory of air masses, combining with numerical statistical methods (e.g. robust local regression), the real-time observation data of atmospheric methane in Yongxing Island during the period from December 2013 to October 2017 were screened and analyzed. The results indicate that the concentration of atmospheric CH4in Yongxing Island presented an apparent seasonal variation: high in winter and low in summer, which is similar to that of the atmospheric background in the Northern Hemisphere. The annual growth rate of CH4was about 11.9′10-9on average, and the annual average seasonal amplitude was 81.1ppb. The diurnal variation of CH4concentration showed a single-period sinusoidal variation: low at noon and high in the wee hours. The analysis of wind field data and backward trajectory of air masses demonstrated that the monsoon is the key factor impacting on the variations of CH4concentration in the area.

atmospheric methane；regional background；Yongxing Island

X511

A

1000-6923(2021)11-5054-06

姜亦飛(1986-),男,江蘇南通人,助理研究員,碩士,主要從事全球碳循環及海氣相互作用研究.發表論文5篇.

2021-04-01

國家重點研發計劃(2017YFC1403306)

* 責任作者, 高級工程師, lvhonggang@126.com