清華新聞網(wǎng)5月29日電 氣候變化問題日益嚴(yán)峻，甲烷是僅次于二氧化碳的全球第二大溫室氣體，其大氣濃度變化對氣候系統(tǒng)影響顯著。近年來全球甲烷濃度快速上升，甲烷源匯變化與調(diào)控機(jī)制備受關(guān)注。全球甲烷源匯收支不僅受到自然排放和人為活動(dòng)的影響，還與空氣污染之間存在著復(fù)雜的相互作用。
近日，清華大學(xué)深圳國際研究生院環(huán)境與生態(tài)研究院副教授鄭博帶領(lǐng)由中國、法國和德國學(xué)者構(gòu)成的國際研究團(tuán)隊(duì)，系統(tǒng)揭示了空氣污染如何通過調(diào)節(jié)大氣中羥基自由基（OH）濃度來影響全球甲烷收支，為應(yīng)對全球氣候變化、協(xié)同開展減污降碳提供了新的理論基礎(chǔ)。
全球大氣甲烷濃度自2007年以來急劇上升。除來自濕地、能源、農(nóng)業(yè)和廢棄物等自然和人為甲烷排放源外，甲烷在大氣中的氧化去除過程也是調(diào)控其濃度的關(guān)鍵因素。羥基自由基OH是大氣中最重要的氧化劑，約90%的甲烷化學(xué)匯（即甲烷被消耗過程）由OH貢獻(xiàn)。然而，長期以來，科學(xué)界對于空氣污染物如何在數(shù)十年時(shí)間尺度上影響全球OH以及甲烷收支的量化研究仍不完善。傳統(tǒng)研究通常僅依賴單一的觀測數(shù)據(jù)或大氣模型模擬，難以全面捕捉空氣污染物、OH濃度以及甲烷匯之間的復(fù)雜動(dòng)態(tài)交互關(guān)系。
該研究創(chuàng)新性地開發(fā)了一種集成大氣觀測和過程模型耦合驅(qū)動(dòng)的研究框架，量化了全球主要空氣污染物對甲烷化學(xué)匯的影響。研究團(tuán)隊(duì)利用先進(jìn)的大氣化學(xué)模型、多源大氣成分觀測與再分析數(shù)據(jù)，結(jié)合化學(xué)箱模型敏感性實(shí)驗(yàn)構(gòu)建OH對其前體物濃度變化的響應(yīng)曲線，系統(tǒng)分析了2005年至2021年間，全球一氧化碳（CO）、臭氧（O3）、水汽（H2O(g)）、氮氧化物（NOX）和總臭氧柱（TCO3）等主要OH前體物時(shí)空變化對全球OH和甲烷收支的系統(tǒng)影響。這種方法不僅考慮了全球尺度上的長期整體變化，還關(guān)注了時(shí)空異質(zhì)性，為理解空氣污染與甲烷收支之間的相互作用提供了全新的視角。
研究發(fā)現(xiàn)，2005年至2021年間，全球臭氧、水汽濃度增加，一氧化碳濃度降低，這些變化共同驅(qū)動(dòng)全球OH濃度顯著上升，年增長率達(dá)到0.2%至0.4%。受全球OH濃度上升影響，全球甲烷匯增加了1.3至2.0 Tg/yr2，顯著減緩了大氣中甲烷的增長速度。這一甲烷匯的增加主要集中在熱帶地區(qū)，并呈現(xiàn)出明顯的全球南北半球變化不對稱性特征。北半球中高緯度地區(qū)的OH濃度與甲烷匯的變化受到更多人為活動(dòng)的影響。這種全球與區(qū)域尺度的協(xié)同分析，為制定針對性的空氣質(zhì)量和氣候政策提供了科學(xué)依據(jù)。
研究指出，在極端事件期間，如2015-2016年的超強(qiáng)厄爾尼諾事件和2020-2021年的新冠疫情期間，空氣污染物濃度的劇烈變化對OH濃度和甲烷匯產(chǎn)生了短期顯著影響。例如，在2015-2016年厄爾尼諾事件期間，熱帶地區(qū)的大規(guī)模野火導(dǎo)致一氧化碳濃度大幅上升，削弱了全球甲烷匯，增加了大氣中甲烷濃度。在新冠疫情期間，人類活動(dòng)減少，臭氧濃度下降，導(dǎo)致OH濃度降低，進(jìn)而使甲烷匯減少，部分抵消了因人為排放減少帶來的甲烷增長放緩效應(yīng)，刺激了全球甲烷濃度增速的進(jìn)一步快速上升。
圖1.OH自由基前體物驅(qū)動(dòng)的全球?qū)α鲗覱H自由基濃度和甲烷匯的變化
研究闡明，全球空氣污染與甲烷源匯收支之間存在復(fù)雜相互作用，揭示了實(shí)施空氣質(zhì)量和氣候政策時(shí)需要綜合考慮兩者之間的協(xié)同效應(yīng)。例如，雖然減少臭氧污染有助于改善空氣質(zhì)量，但可能會(huì)降低OH濃度，進(jìn)而減少甲烷的氧化匯，導(dǎo)致甲烷濃度上升。因此，未來需要在減少空氣污染物排放的同時(shí)，系統(tǒng)評估其對全球甲烷收支的影響，以實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量改善和氣候目標(biāo)的雙贏，在減污降碳政策實(shí)施中不僅需考慮源還應(yīng)考慮匯一側(cè)的交互作用。
研究為監(jiān)測和評估全球OH濃度及其對甲烷匯的影響提供了一種新的研究模型工具。通過定期更新驅(qū)動(dòng)因子輸入數(shù)據(jù)，研究構(gòu)建的模型系統(tǒng)可以跟蹤OH濃度的時(shí)空變化，為動(dòng)態(tài)研究其對全球甲烷收支的調(diào)控作用提供支持。這對于制定科學(xué)合理的氣候政策以應(yīng)對氣候變化具有重要現(xiàn)實(shí)意義。
圖2.全球空氣污染與OH自由基、甲烷源匯收支之間的復(fù)雜相互作用
相關(guān)研究成果以“大氣污染影響全球甲烷收支的趨勢和年際變化”（Air pollution modulates trends and variability of the global methane budget）為題，于5月28日以研究論文（Article）形式發(fā)表于《自然》（Nature）。
鄭博為論文通訊作者，中國海洋大學(xué)副教授趙園紅為論文第一作者。論文作者還包括中國科學(xué)院外籍院士、清華大學(xué)杰出訪問教授、法國環(huán)境與氣候科學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究員菲利普·西亞斯（Philippe Ciais），來自法國環(huán)境與氣候科學(xué)實(shí)驗(yàn)室、德國于利希研究中心的多名合作者，以及中國海洋大學(xué)與清華大學(xué)深圳國際研究生院的研究生。
研究得到國家自然科學(xué)基金、深圳市生態(tài)修復(fù)與固碳增匯重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和山東省自然基金等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09004-z
供稿：深圳國際研究生院
編輯：李華山
圖片設(shè)計(jì)：王琦鑫
審核：郭玲
