全球甲烷时空分布分析

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目 录

1 引言 1

2 AIRS仪器及资料介绍 2

2.1 AIRS遥感产品 2

2.2 资料及分析方法 2

2.2.1 资料 2

2.2.2 小波分析 3

3 全球甲烷分布特征 4

3.1 不同高度甲烷的分布特征 4

3.2 不同季节甲烷的空间分布特征 5

3.3 甲烷浓度随时间的变化特征 6

3.4 小波分析 6

3.5 大气本底站地面观测甲烷浓度随时间的变化 10

4 结论与讨论 13

参考文献 13

致谢 15

全球甲烷时空分布分析

朱琳

，China

Abstract：Methane (CH₄) as the second largest greenhouse gas after carbon dioxide, plays an important role not only in the global and regional scale in photochemical reaction, and has an important effect on the energy balance and climate change. This paper reviews the importance of methane, describes the Atmospheric Infrared Sounder instrument and its methane product , using 2003-2015 monthly data to analysis the characteristics of methane distribution at different heights and different seasons in the world and the change of time. Results show that: 1) globally, The mixing ratio of different layers of methane is different, and from the lower layer to the upper level is gradually reduced. The mixing ratio of methane was higher in July, August and September, and was lower in March, April and May. The mixing ratio of methane in the northern hemisphere is higher than that in the southern hemisphere. In the northern hemisphere, the higher the latitude, the higher the volume mixing ratio. In the southern hemisphere, the smaller the volume mixing ratio is. 2) There was seasonal variation in the volume mixing ratio of methane, the highest in summer and the lowest in spring. From 2003 to 2015, the mixing ratio of methane to volume increased steadily. 3) According to the global methane wavelet analysis global from 2003 to 2015, About 15 to 20 months of periodic oscillations of the strongest, 8-12 months time scale secondly, the two cycle fluctuations control global methane in the whole time domain characteristics. 4) China five atmospheric background station monitoring methane month data showed that in addition to the Shangdianzi station, Shangri-La, Lin'an, Waliugan and Longfengshan the four sites of methane concentration increased fluctuated over the years, the methane concentration change of five sites exist different seasonal variation.

Key words：Methane；AIRS；Temporal and spatial distribution；Wavelet Analysis

2. 引言

甲烷（CH₄）是一种重要的温室气体和化学活性气体，它同时是对流层中浓度最高的有机痕量气体和化学活性气体。全球大气中甲烷的平均浓度约为1.774ppmv（1ppmv=1）。大气中甲烷含量的变化与甲烷源的排放、生物质燃烧以及大气输送等因素有关。一方面，甲烷源的排放以及从地表向上的输送导致的甲烷变化影响地球辐射平衡，进而对全球天气和气候变化产生重要影响。另一方面，它是仅次于二氧化碳（CO₂）的第二大温室气体，其单位浓度造成的温室效应是CO₂的25倍^[1]。CH₄在大气化学反应过程中十分重要，对流层中羟基自由基（OH）、甲醛（CH₂O）、一氧化碳（CO）和臭氧（O₃）等的浓度和平流层中O₃和水汽的浓度都受其影响 ^[2-3]。例如，在大气中，CH₄易与OH发生反应，产生甲基（CH₃）和水（H₂O），该反应消耗近90％CH₄，通过这个反应消耗大气中的OH，从而影响大气中其他与OH相关的反应。因此，研究全球大气中甲烷的空间分布和时间变化是十分必要的。

自工业革命以来，工业革命前CH₄浓度为，而现在CH₄浓度已经达到，并且仍然维持着每年的速度增加^[4]。虽然全球甲烷的总浓度明显增加，但是其增长率的波动很大，例如1998年观测到甲烷的增长率异常偏高，但从2000年开始，其增长率显著减小甚至一度停滞，2008～2009年甲烷增长率又出现了新的增长^[5]。如果甲烷、二氧化碳等温室气体继续依照目前的排放速度排放下去，地球表面的平均温度到2100年可能会再增长1.4～5.8，全球温度变暖可能会导致极端天气事件的增加、气候灾害发生频繁、海平面升高等后果出现，进而对人们的生活和经济发展产生不同程度的影响^[6]。因此，研究全球大气中甲烷的空间分布和时间变化是十分必要的。

尽管甲烷对全球天气和气候变化是如此重要，但是现在对它的讨论研究却并不全面，20世纪60 年代开始有一些零星的观测，大概二十年后也就是20世纪80年代开始出现了系统的观测研究^[7]。为了监测近地面甲烷浓度的变化，世界气象组织(WMO)从1983年开始在全球各个不同的地区相继建立起了大气本底观测站，但因为建立的观测台站有限，且观测的时间短，所以全球许多地区都存在观测空缺，不能够系统的掌握全球的甲烷时间变化特征和空间分布的规律^[8-9]。

目前的地面测量CH₄在大尺度上是稀疏的，不具有代表性，特别是在极其困难的测量条件下，如在冻土区。系统的CH₄垂直变化的观察是稀缺的。因此，高空测量是至关重要的，因为这提供了大量的时空范围来帮助我们更好地了解全球甲烷及其对全球变化的影响的变化^[10]。卫星遥感监测大气因素能够在宏观尺度上重复监测大气痕量气体浓度 ^[11]。基于甲烷在红外7.66、3.3和2.3的光谱吸收特性，人们可以利用卫星遥感技术来获取广空间区域、长时间序列、高空三维的甲烷遥感监测信息^[10,12-21]。2002年5月美国国家航空航天局（NASA）发射升空的地球观测系统（EOS）系列卫星Aqua，该卫星上装载了AIRS (Atmospheric Infrared Sounder：大气红外传感器)仪器，AIRS仪器能够获取高时空覆盖率的甲烷资料，通过对红外光谱的探测，观测到的对流层中高层甲烷产品可性度高。极大地促进了对全球甲烷分布、变化及其对气候变化影响的认识^[22]。为检验AIRS甲烷产品的可信度，Xiong 等人对其对流层中高层进行了检验，结果显示AIRS卫星数据可信度高，误差在，均方根误差为，可以用来对甲烷的全球时空分布的特征进行研究，并利用其发现了南亚地区在7、8、9月份的甲烷烟羽现象，此现象后经飞机观测资料证实确实存在^[14,23]。

大气本底站是大气本底监测站的简称，它是由世界气象组织在全球建立，分为全球大气本底站和区域大气本底站两种。目前，中国大陆设有1个全球大气本底站即瓦里关全球大气本底监测站，6个区域大气本底站，其中包括：上甸子、临安、龙凤山、香格里拉、阿克达拉和金沙区域大气本底站。

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