清华大学深圳国际研究生院郑博团队合作揭示空气污染对全球甲烷源汇收支的调控机制
2025/05/30
188气候变化问题日益严峻，甲烷是仅次于二氧化碳的全球第二大温室气体，其大气浓度变化对气候系统影响显著。近年来全球甲烷浓度快速上升，甲烷源汇变化与调控机制备受关注。全球甲烷源汇收支不仅受到自然排放和人为活动的影响，还与空气污染之间存在着复杂的相互作用。
近日，清华大学深圳国际研究生院环境与生态研究院副教授郑博带领由中国、法国和德国学者构成的国际研究团队，系统揭示了空气污染如何通过调节大气中羟基自由基（OH）浓度来影响全球甲烷收支，为应对全球气候变化、协同开展减污降碳提供了新的理论基础。
全球大气甲烷浓度自2007年以来急剧上升。除来自湿地、能源、农业和废弃物等自然和人为甲烷排放源外，甲烷在大气中的氧化去除过程也是调控其浓度的关键因素。羟基自由基OH是大气中最重要的氧化剂，约90%的甲烷化学汇（即甲烷被消耗过程）由OH贡献。然而，长期以来，科学界对于空气污染物如何在数十年时间尺度上影响全球OH以及甲烷收支的量化研究仍不完善。传统研究通常仅依赖单一的观测数据或大气模型模拟，难以全面捕捉空气污染物、OH浓度以及甲烷汇之间的复杂动态交互关系。
该研究创新性地开发了一种集成大气观测和过程模型耦合驱动的研究框架，量化了全球主要空气污染物对甲烷化学汇的影响。研究团队利用先进的大气化学模型、多源大气成分观测与再分析数据，结合化学箱模型敏感性实验构建OH对其前体物浓度变化的响应曲线，系统分析了2005年至2021年间，全球一氧化碳（CO）、臭氧（O3）、水汽（H2O(g)）、氮氧化物（NOX）和总臭氧柱（TCO3）等主要OH前体物时空变化对全球OH和甲烷收支的系统影响。这种方法不仅考虑了全球尺度上的长期整体变化，还关注了时空异质性，为理解空气污染与甲烷收支之间的相互作用提供了全新的视角。
研究发现，2005年至2021年间，全球臭氧、水汽浓度增加，一氧化碳浓度降低，这些变化共同驱动全球OH浓度显著上升，年增长率达到0.2%至0.4%。受全球OH浓度上升影响，全球甲烷汇增加了1.3至2.0 Tg/yr2，显著减缓了大气中甲烷的增长速度。这一甲烷汇的增加主要集中在热带地区，并呈现出明显的全球南北半球变化不对称性特征。北半球中高纬度地区的OH浓度与甲烷汇的变化受到更多人为活动的影响。这种全球与区域尺度的协同分析，为制定针对性的空气质量和气候政策提供了科学依据。
研究指出，在极端事件期间，如2015-2016年的超强厄尔尼诺事件和2020-2021年的新冠疫情期间，空气污染物浓度的剧烈变化对OH浓度和甲烷汇产生了短期显著影响。例如，在2015-2016年厄尔尼诺事件期间，热带地区的大规模野火导致一氧化碳浓度大幅上升，削弱了全球甲烷汇，增加了大气中甲烷浓度。在新冠疫情期间，人类活动减少，臭氧浓度下降，导致OH浓度降低，进而使甲烷汇减少，部分抵消了因人为排放减少带来的甲烷增长放缓效应，刺激了全球甲烷浓度增速的进一步快速上升。
图1.OH自由基前体物驱动的全球对流层OH自由基浓度和甲烷汇的变化
研究阐明，全球空气污染与甲烷源汇收支之间存在复杂相互作用，揭示了实施空气质量和气候政策时需要综合考虑两者之间的协同效应。例如，虽然减少臭氧污染有助于改善空气质量，但可能会降低OH浓度，进而减少甲烷的氧化汇，导致甲烷浓度上升。因此，未来需要在减少空气污染物排放的同时，系统评估其对全球甲烷收支的影响，以实现空气质量改善和气候目标的双赢，在减污降碳政策实施中不仅需考虑源还应考虑汇一侧的交互作用。
研究为监测和评估全球OH浓度及其对甲烷汇的影响提供了一种新的研究模型工具。通过定期更新驱动因子输入数据，研究构建的模型系统可以跟踪OH浓度的时空变化，为动态研究其对全球甲烷收支的调控作用提供支持。这对于制定科学合理的气候政策以应对气候变化具有重要现实意义。
图2.全球空气污染与OH自由基、甲烷源汇收支之间的复杂相互作用
相关研究成果以“大气污染影响全球甲烷收支的趋势和年际变化”（Air pollution modulates trends and variability of the global methane budget）为题，于5月28日以研究论文（Article）形式发表于《自然》（Nature）。
郑博为论文通讯作者，中国海洋大学副教授赵园红为论文第一作者。论文作者还包括中国科学院外籍院士、清华大学杰出访问教授、法国环境与气候科学实验室研究员菲利普·西亚斯（Philippe Ciais），来自法国环境与气候科学实验室、德国于利希研究中心的多名合作者，以及中国海洋大学与清华大学深圳国际研究生院的研究生。
研究得到国家自然科学基金、深圳市生态修复与固碳增汇重点实验室和山东省自然基金等项目的支持。
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