城环学院彭书时研究团队在《自然》发表最新研究，揭示2020年大气甲烷浓度飙升的机制

北京大学城市与环境学院彭书时研究团队与多所国内外研究机构合作，基于大气甲烷浓度观测、能源和农业清查数据、气象和遥感等多源数据，利用湿地过程模型、大气化学传输模型和大气反演模型，结合“自下而上”和“自上而下”的温室气体源汇评估方法，探究了2020年大气甲烷浓度飙升之谜。

　　

甲烷是一种重要的温室气体。自工业革命以来，大气甲烷浓度增加了2倍，在所有温室气体的辐射强迫中占比三分之一。要实现《巴黎协定》的温室气体减排目标，将全球温升控制在2°C以内，削减人为甲烷排放降低大气甲烷浓度迫在眉睫。近15年大气甲烷浓度呈现增长加速的趋势，2020年甚至达到了1984年以来有站点观测记录的最大值。如果未来大气甲烷浓度持续加速增长，将会对减排和《巴黎协定》温控目标的实现带来严峻挑战。因此，需要回答大气甲烷浓度为什么近期增长加速这一国际难题。

大气甲烷浓度增速主要受人为源排放、自然源排放和大气汇共同控制，然而，由于这三部分估算的不确定仍难以对大气甲烷浓度增速进行归因，尤其是大气汇的贡献最具挑战。2020年由于新冠疫情的蔓延及各国防疫措施的实施，人为甲烷排放有所降低，但大气甲烷浓度却反而飙升，提供了控制人为排放研究大气甲烷浓度的完美“实验”。

图1 大气甲烷浓度观测曲线。灰色为观测值，橙色为趋势线，棕色为增速

面对上述挑战和机遇，北京大学城市与环境学院彭书时研究员团队与多所国内外研究机构合作，基于大气甲烷浓度观测、能源和农业清查数据、气象和遥感等多源数据，利用湿地过程模型、大气化学传输模型和大气反演模型，结合“自下而上”和“自上而下”的温室气体源汇评估方法，探究了2020年大气甲烷浓度飙升之谜。

研究发现，相比于2019年，2020年人为甲烷排放减少了1.2百万吨，火灾甲烷排放减少了6.5百万吨。2020年更暖更湿的气候使得湿地甲烷排放增加了2.5—9.4百万吨，主要源自高纬度湿地和北半球热带湿地。然而，湿地排放增加量的最大值（9.4百万吨）仍不足以解释2020年大气甲烷浓度的飙升，暗示着甲烷大气汇在2020年可能减少。

大气甲烷主要通过与大气对流层中的OH自由基反应来移除。OH自由基寿命极短，难以直接测量，是研究大气甲烷汇变化最为棘手的难题。研究发现，由于2020年新冠疫情人为排放的氮氧化物减少，由大气化学传输模型模拟得到的对流层OH自由基浓度平均减小了1.6%，这与另一种基于大气中三种氟化气体浓度反演得到的OH自由基的变化相吻合。2020年大气OH自由基浓度降低导致了大气甲烷汇减少了7.5百万吨。

研究进一步发现，由“自上而下”评估方法得出的甲烷排放变化空间格局与“自下而上”的结果相一致，佐证了自然排放增加由湿地排放增加主导。因此，2020年大气甲烷浓度增长加速一半归因于由湿地主导的自然排放增加，另一半归因于对流层OH自由基浓度的降低。

该研究为理解全球的甲烷收支提供了新见解，揭示了湿地甲烷排放对实现全球温控目标不可忽略，并认识到未来甲烷减排计划需要同时考虑氮氧化物等人为污染物排放趋势变化所导致的大气甲烷寿命变化，为《巴黎协定》的目标实现和全球甲烷减排承诺提供了科学依据。

图2 2020年大气甲烷浓度飙升的归因。相比于2019年，a. 2020年大气甲烷浓度增长加速的归因；b. 基于“自上而下”大气反演方法估算的甲烷排放变化的空间格局；c. 2020年甲烷排放变化主导源的空间格局；d. “自下而上“方法估算的甲烷排放变化的空间格局

研究成果以《湿地排放和大气汇的变化解释了2020年大气甲烷浓度增加》（“Wetland emission and atmospheric sink changes explain methane growth in 2020”）为题，于2022年12月15日发表在《自然》（Nature）上。彭书时为第一作者和共同通讯作者，法国气候与环境科学实验室林鑫博士为共同通讯作者。《自然》杂志在同期配发了著名学者George H. Allen教授题为“Cause of the 2020 surge in atmospheric methane clarified”的评述文章，对本研究给予了高度评价。研究受到国家自然科学基金项目（41722101、41830643）的资助。