为什么21世纪20年代初大气中的甲烷含量突然激增？

《SCIENCE》：Why methane surged in the atmosphere during the early 2020s

甲烷浓度2020年激增后回落，主因是疫情期间大气羟基自由基（OH）减少削弱了吸收能力，叠加气候异常导致湿地和水域排放激增，尤其是非洲和亚洲热带湿地及北极地区，La Ni?a气候进一步加剧了2020-2022年排放上升，2023年因OH恢复和干旱排放下降。研究揭示底向上报模型与卫星反演存在湿地排放估算偏差，需改进监测和模型精度。

　　

编辑总结

甲烷是仅次于二氧化碳的第二大重要微量温室气体，其增长率在2019年后出现了意外上升。Ciais等人指出，这一突然增加的主要原因是大气中羟基自由基（OH）浓度的减少，而羟基自由基是负责氧化甲烷的主要物质，因此也是甲烷的主要吸收源。随后，湿地和内陆水体的排放量增加（参见Nisbet和Manning的观点）。羟基自由基浓度的变化是全球性的，而甲烷排放量的增加则主要来自非洲和亚洲北部热带地区的湿地以及北极地区。——Jesse Smith

结构化摘要

引言

大气中的甲烷（CH₄）是仅次于二氧化碳（CO₂）的第二大人为温室气体，在21世纪初出现了前所未有的增长。自2007年以来，甲烷的增长率稳步上升，2019-2020年间加速增长，2020年达到每年16.2亿分之一（ppb year^?1），到2023年降至每年8.6 ppb year^?1。导致这一增长和下降的原因尚不清楚，有观点认为可能是自然排放增加或大气化学成分发生变化。

研究方法

本研究综合了多种证据，包括卫星测量的CH₄混合比数据（GOSAT）、美国国家海洋和大气管理局（NOAA）全球观测网络的地基大气观测数据、更新的OH（羟基自由基）场数据，以及三个大气反演系统（PYVAR-LMDz、WESTLAKE和GONGGA），以揭示甲烷增长背后的机制。这种方法能够明确考虑OH浓度年际变化的影响，因为OH是甲烷的主要吸收源，其变化受到其浓度观测值及其前体物质排放量的限制（这些数据是通过化学-气候模型推断得出的）。

结果

分析表明，2020-2021年新冠疫情期间OH浓度的减少，以及2023年的恢复，解释了甲烷增长率年际变化的约80%。这些变化与新冠封锁期间人类活动导致的NO_x和CO排放量下降有关，这暂时削弱了大气的氧化能力。当OH浓度回升时，甲烷的吸收作用增强，减缓了其增长率。

除了这种吸收作用的年际变化外，地表排放量也发生了显著变化。基于OH场数据的反演显示，2019年至2020年间全球甲烷排放量增加了22太克（TgCH₄ year^?1），主要来自湿地和内陆水体。排放量在2020年6月至2023年6月的拉尼娜现象期间达到峰值，此时更湿润的气候条件导致淹没区域扩大，土壤湿度增加，尤其是在非洲热带地区（苏德沼泽和中央库维特）和东南亚。

大气甲烷的同位素组成（δ¹³C_CH4）提供了额外的信息。观测到的δ¹³C_CH4下降与微生物活动（湿地、农业、内陆水体）主导全球排放变化的情况一致，而那些过度依赖化石燃料或火灾排放的模型则无法解释这一现象。高估或低估化石燃料和火灾贡献的反演结果未能再现观测到的同位素变化，这突显了微生物过程的重要性及其对近期气候异常的敏感性。

基于湿地模型、内陆水体排放模拟、牲畜统计数据、化石燃料数据和火灾数据集的自下而上估算方法与自上而下的反演结果存在显著差异。虽然自下而上的估算方法捕捉到了2019年至2023年间排放量总体上升的趋势，但它们低估了2020-2022年北热带地区湿地和内陆水体排放量的急剧增加，预测了南热带地区湿地排放量的大幅减少，并高估了2023年的排放量。这种不匹配表明现有湿地和内陆水体模型存在持续不足，需要加强对淹没动态、小规模湿地和地下水位深度的监测。

结论

21世纪初甲烷排放量的激增是由于大气吸收能力下降以及气候因素驱动的微生物排放增加共同作用的结果。新冠疫情期间OH浓度的暂时下降解释了大部分年际变化，而拉尼娜气候条件加剧了湿地和内陆水体的排放。2023年的排放量下降反映了OH浓度的恢复以及干旱导致的排放减少。这些发现强调了整合大气化学、气候变率和微生物过程对于理解甲烷动态的重要性。同时，它们也揭示了自下而上模型的关键缺陷，表明需要改进湿地监测、提高反演分辨率和优化同位素测量方法。通过提供截至2023年的全球甲烷预算，本研究阐明了近期甲烷变化的驱动因素，并为未来甲烷监测和减排工作指明了重点。

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21世纪初全球甲烷排放量激增的原因。

2019年相比，不同来源部门和不同过程的甲烷排放量和OH去除量的变化。

摘要

2019年后，大气中甲烷（CH₄）的增长率急剧上升，2020年达到每年16.2亿分之一（ppb year^?1），2023年降至每年8.6 ppb year^?1。通过结合观测数据和模型预测的羟基自由基（OH）场数据以及CH₄大气数据，我们发现2020-2021年OH浓度的下降，以及2022-2023年的恢复，解释了甲烷增长率年际变化的83%；其余变化则由湿地和内陆水体的排放量变化引起——2019年至2020-2022年间排放量增加了[+8.6 ± 2.6太克（TgCH₄ year^?1），2022-2023年间减少至[-9.9 ± 3.3 TgCH₄ year^?1]。2019年至2023年间，大部分排放变化发生在非洲和亚洲北部热带地区的湿地，而南美洲湿地的排放量减少，北极地区的排放量增加。