5月28日，國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊Nature(《自然》)在線發(fā)表了題為“Air pollution modulates trends and variability of the global methane budget”(大氣污染影響全球甲烷收支的趨勢(shì)和年際變化)的最新研究成果。中國(guó)海洋大學(xué)海洋動(dòng)力-物理環(huán)境與智能感知全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/海洋與大氣學(xué)院“青年英才工程”第三層次趙園紅副教授為第一作者、清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院鄭博副教授為通訊作者。論文作者還包括法國(guó)環(huán)境與氣候科學(xué)實(shí)驗(yàn)室、德國(guó)于利希研究中心的多名合作者以及中國(guó)海洋大學(xué)與清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院的研究生。

　　甲烷作為全球第二大溫室氣體，大氣中甲烷濃度的快速上升已成為氣候變暖的重要推動(dòng)力，準(zhǔn)確理解甲烷源匯過(guò)程及其調(diào)控機(jī)制是開(kāi)展氣候變化治理的關(guān)鍵。大氣中羥基(OH)自由基是甲烷最主要的匯，當(dāng)前對(duì)其濃度水平及時(shí)空變化趨勢(shì)的認(rèn)知尚不清晰，對(duì)影響全球OH自由基變化的主控因子理解不足，制約了對(duì)甲烷濃度增長(zhǎng)速率年際變率的準(zhǔn)確理解。為解決這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了基于模型與數(shù)據(jù)雙驅(qū)動(dòng)的全球大氣OH自由基量化表征系統(tǒng)，系統(tǒng)量化了2005-2021年間臭氧(O3)、一氧化碳(CO)等主要大氣污染物對(duì)OH自由基和甲烷匯的影響。研究結(jié)果揭示了大氣污染物調(diào)控OH自由基濃度水平及其時(shí)空變化，進(jìn)而影響全球甲烷源匯收支的關(guān)鍵機(jī)制，闡明了近年來(lái)大氣污染物在長(zhǎng)期趨勢(shì)上減緩甲烷增長(zhǎng)，在特定時(shí)段推動(dòng)甲烷濃度異常波動(dòng)的復(fù)雜機(jī)制。

　　OH自由基是全球大氣甲烷的主要清除劑，其大約1秒的壽命和復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)特性，使得難以在大氣中開(kāi)展大范圍直接觀測(cè)，基于大氣化學(xué)模型又難以精準(zhǔn)模擬全球尺度OH自由基時(shí)空分布，量化其對(duì)甲烷匯的影響。聚焦這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性開(kāi)發(fā)了融合多源觀測(cè)數(shù)據(jù)與大氣化學(xué)箱式模型的綜合分析框架，通過(guò)衛(wèi)星遙感與再分析數(shù)據(jù)獲取大氣成分濃度的時(shí)空變化格局，基于具有復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)機(jī)制的箱式模型全球逐個(gè)位置表征OH對(duì)不同大氣成分變化的響應(yīng)曲面，基于系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)了對(duì)大氣成分-OH自由基-甲烷全鏈條響應(yīng)過(guò)程的精準(zhǔn)量化。

圖1.全球?qū)α鲗覱H自由基年際變化(a) 和CH4增長(zhǎng)速率(b)

圖2.主要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

　　在長(zhǎng)期趨勢(shì)上，對(duì)流層O3、水汽增加及CO濃度下降是驅(qū)動(dòng)2005至2021年間OH自由基和甲烷匯增長(zhǎng)的主要影響因素。在多種因素共同作用下，大氣甲烷的匯以每年1.3-2.0 Tg(百萬(wàn)噸)的速度增強(qiáng)，在長(zhǎng)期時(shí)間尺度上減緩了甲烷濃度受排放增加驅(qū)動(dòng)的快速增長(zhǎng)(圖1)。在全球十年時(shí)間尺度上，這一效應(yīng)與農(nóng)業(yè)、化石燃料等人為源甲烷排放變化，以及濕地、野火等自然源變化強(qiáng)度相當(dāng)(圖2)，表明大氣污染物變化對(duì)全球甲烷源匯收支具有與甲烷排放源同等重要的作用。

　　在年際變化上，甲烷濃度的異常快速增長(zhǎng)往往與大氣污染物波動(dòng)導(dǎo)致的OH自由基濃度驟降密切相關(guān)。例如，2015年極端野火期間，大量CO排放顯著抑制了OH自由基濃度;而2020-2021年新冠疫情期間，人為排放減少導(dǎo)致臭氧濃度下降，同樣降低了OH自由基濃度。這些發(fā)現(xiàn)解釋了近年來(lái)甲烷濃度異常波動(dòng)的底層化學(xué)機(jī)制，啟示未來(lái)O3污染控制導(dǎo)致的O3濃度下降與野火頻發(fā)導(dǎo)致的CO濃度上升將會(huì)削弱CH4的匯，需進(jìn)一步控制甲烷排放以減緩大氣中甲烷濃度的增長(zhǎng)。

　　研究建議，在全球人為排放持續(xù)變化和氣候變暖的背景下，建立大氣污染物影響OH自由基和甲烷匯的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)對(duì)預(yù)測(cè)甲烷濃度年際變化趨勢(shì)和制定氣候減緩策略具有重要科學(xué)意義。在制定空氣質(zhì)量改善及甲烷控制政策時(shí)，需綜合考慮大氣化學(xué)過(guò)程對(duì)甲烷匯的復(fù)雜影響，實(shí)現(xiàn)空氣污染與氣候治理協(xié)同。研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、深圳市科技計(jì)劃和山東省自然基金等項(xiàng)目共同資助。

　　成果文章全文：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09004-z