2008年汶川MS8.0地震前后川西含碳气体卫星高光谱特征

2008年汶川地震导致了大量地下含碳气体释放. 本文基于卫星高光谱数据采用差值法获取了汶川地震前后川西地区含碳气体异常的时空分布特征. 结果显示汶川地震前后不同含碳气体异常的时空分布特征不同. 空间分布上,CH₄,CO₂和CO异常分布于震中附近且受断裂控制明显,与热红外异常特征类似;CO和CO₂异常的范围较CH₄大,CO除沿断裂带分布外,在四川盆地也大面积出现. 异常出现时间上,CO₂异常最早,其次为CH₄和CO. 气体来源上,CO₂和CH₄主要来源于地球内部沿断裂带释放,在地球内部还原条件下,CH₄还可由CO₂还原形成;CO异常除了沿断裂带释放和由断裂带释放的CH₄氧化生成外,还由四川盆地渗漏的CH₄氧化生成. 本文结果可用于地震监测预测研究,不仅提供了新的地震前兆观测参数,还为地震热红外异常机制“地球放气温室效应”提供了科学依据,同时对地震引起的地质碳排放研究也有重要意义.      

2015年4月15日内蒙古阿拉善左旗MS5.8地震前后CH4和CO变化

基于卫星高光谱数据讨论鄂尔多斯西缘CH₄和CO气体背景场特征和2015年4月15日内蒙古阿拉善左旗M_S5.8地震前后气体异常变化。 结果表明, CH₄和CO气体总量在时间上均存在显著的季节变化, 空间分布上受构造地质背景、 地形地貌影响, 高值区位于银川、 吉兰泰、 河套断陷盆地。 2015年4月15日内蒙古阿拉善左旗M_S5.8地震当月, CH₄异常沿鄂尔多斯西缘断裂带呈线性展布, 地震前1周左右, 震中两侧油气田出现CH₄异常, 异常幅度达到6倍标准偏差, 与地震引起附近油气田CH₄逸出增加有关; CO异常空间分布与CH₄基本一致, 时间上滞后CH₄异常1周左右, 持续2周左右后消失。 CH₄和CO关系密切, CO异常部分源自CH₄氧化。     

针对SCIAMACHY探测器问题的CO柱浓度反演算法改进与地基验证

搭载于ENVISAT卫星上的SCIAMACHY是目前唯一采用近红外波段观测大气温室气体(CO₂,CH₄,CO)的高光谱传感器.与其它热红外卫星传感器如AIRS、MOPITT、IASI等相比,SCIAMACHY用于CO探测的近红外波段对与人类活动密切相关的底层大气具有更高的敏感性.但无论从光谱角度(该波段CO吸收强度较弱,且存在很强的CH₄和H₂O重叠吸收),还是从SCIAMACHY仪器问题的角度(近红外波段探测器容易出现结冰现象),都给CO反演带来很大的挑战.由于探测器结冰问题造成SCIMACHY CO反演误差高达100%,并且该误差随时间和空间而变化.多个研究机构发展了各种不同的算法用于该误差的校正,但校正结果的时间一致性较差.本文基于IMAP-DOAS的CO反演算法,发展了一种针对SCIAMACHY探测器结冰问题的新校正算法,校正后的CO柱浓度反演误差以及时间一致性都比较理想,并与不同地基FTIR观测结果进行了对比,对比结果表明该校正算法的CO反演结果与地基观测一致性较好,相对偏差由校正前的60%减小到了5%,能够准确地获得CO的时空变化信息.经过校正后的CO柱浓度结果不仅可以用于准确获得CO排放源与汇的时空分布信息,还可以为政府部门制定碳减排相关政策提供重要参考,有效控制全球温室效应.     

青藏高原周缘三次强地震伴生的卫星高光谱遥感地球化学异常

利用卫星遥感高光谱AIRS数据, 获取了发生在青藏高原周缘三个不同构造单元的2017年8月九寨沟M_S7.0地震、 2019年4月西藏墨脱M_S6.3地震和2020年6月新疆于田M_S6.4地震伴生的CH₄气体地球化学异常。 用Matlab编程处理AIRS数据的结果表明, CH₄柱含量在三次地震前一周到半个月出现高值异常, 异常沿着断裂带分布, 其中断裂带的交会部位异常幅度较大。 由于地震所处的构造环境、 发震类型、 震级大小差异, 三个构造单元地震引起的CH₄气体浓度异常出现时间、 持续时间、 异常强度等方面存在一定差异。 三次地震前后遥感信息异常与地震活动对应较好, 这归因于在孕震应力场作用下地下气体沿着裂隙及裂缝的逸散作用。 研究结果对利用卫星高光谱分辨率遥感技术监测地震及其在大地震短临预测中的应用具有重要意义。     

华北地区高光谱气体影响因素分析

基于高光谱遥感数据分析CH₄与CO的影响因素,应用于京津冀地区异常性质判定。通过不同地形高光谱气体与水汽、温度、长波辐射、气压等参数进行相关系数计算。发现陆地与海洋具有不同的特性,CH₄与CO呈较强的负相关,且相关系数盆地大于山区大于平原;CH₄与水汽、温度、长波辐射呈负相关,与气压呈正相关,且相关系数平原大于山区大于盆地。分析认为在陆地环境CH₄浓度受水汽、温度、气压等气象因素影响较大,CO因为海洋源的影响,与不同参数相关系数较低。通过RST算法提取近期京津冀地区高光谱气体异常,发现北京西南与河北交界地区在6月有明显的高值异常,通过回归方程检验,认为该异常是气象因素引起的可能性较大,为震情跟踪判定提供了依据。     

中国大陆科学钻探工程主孔地下流体特征及与地震活动的关系初步研究

收集了中国大陆科学钻探主孔工程(CCSD)主孔中117～2045 m深度地下流体某些组分(He、 Ar、 CO₂、 CH₄)的浓度资料和2001年7月1日至2002年4月30日时间段内钻孔周围500 km范围内震级M_L≥1.0地震目录资料, 对其流体资料进行日均值处理、 差分分析和最大相关系数处理。 由日均值浓度看出地震前后He、 Ar、 CO₂、 CH₄浓度存在明显异常; 最大相关系数分析表明, CH₄和CO₂组分两者相关性好, 最大相关系数平均值为0.95, 均方差为0.08, 说明两者可能具有相同的来源。 CH₄和CO₂浓度日均值最大相关系数在地震前后出现明显的异常波动。 主孔中的地下流体特征及与周围地震活动的对应关系揭示大陆科学钻探主孔中的地下流体异常与区内地震活动可能存在一定关系。     

河南新郑—太康断裂东段土壤气体地球化学特征

土壤气浓度测量能够揭示断裂位置和活动特征。 由于河南新郑—太康断裂北西向隐伏断裂带空间定位精度有待提高, 以及2016年5月该区出现地下逸出气异常的宏观现象, 在太康县西近垂直于断裂走向布设了一条长约13 km的NE—NNE走向的地球化学观测剖面, 用于分析隐伏断层浅层位置及其与地下逸出气宏观异常的关系。 观测结果表明: 该剖面的异常段与该区浅层地震勘探显示的断裂带地表出露位置相吻合, 其中Rn体积活度和H₂、 CO₂浓度异常揭示出南段有4条断层, 北段有2条断层, 且均具有高角度特征, 南段的CO₂浓度异常区与地下逸出气宏观异常位置相符, 但代表构造特征的Rn体积活度和H₂浓度没有出现异常, 认为与构造关系不密切。     

CO2浓度升高对稻田CH4和N2O排放的影响——Meta分析

CO₂浓度升高对稻田生态系统碳(C)氮(N)循环具有重要作用,阐明CO₂浓度升高对稻田CH₄和N₂O排放的影响是农业生产应对全球气候变化的重要组成部分.文章采用Meta分析的方法,讨论了不同CO₂浓度升高状况和田间管理措施条件下CO₂浓度升高对稻田CH₄和N₂O排放的影响,结果可为未来气候条件下稻田温室气体减排提供参考.结果表明:整体平均而言,CO₂浓度升高显著增加稻田CH₄排放(增幅为23%,P<0.05),同时显著降低稻田N₂O排放(降幅为22%,P<0.05).CO₂浓度升高对稻田CH₄和N₂O排放的影响程度与CO₂熏气年限和CO₂浓度梯度有关.CO₂熏气年限≥10a时,CO₂浓度升高同时显著降低稻田CH₄和N₂O排放,降幅分别为27%和53%(P<0.05);随CO₂浓度梯度上升,CO₂浓度升高对稻田CH₄排放的促进作用呈现先减弱后增强的趋势,而对稻田N₂O排放的影响则由促进作用变为抑制作用.不同N肥施用量、秸秆还田、水分管理和水稻品种等田间管理措施不同程度地影响稻田CH₄和N₂O排放对CO₂浓度升高的响应.无秸秆和半量秸秆还田时,CO₂浓度升高显著促进稻田CH₄排放(增幅分别为27%和49%,P<0.05),而全量秸秆还田时,CO₂浓度升高对稻田CH₄排放无显著影响(P>0.05);随秸秆还田量的增加,CO₂浓度升高对稻田N₂O排放的抑制作用不断增强.对比持续淹水,间歇灌溉条件下CO₂浓度升高减弱了对稻田CH₄排放的促进作用,却增强了对稻田N₂O排放的抑制作用.未来CO₂浓度升高条件下,建议推广全量秸秆还田和间歇灌溉相结合的稻田管理措施,并辅以优化N肥管理和选育"高产低排"水稻品种等方法,达到最优的"增产减排"效果.此外,有必要进行多尺度、多要素和多方法的综合研究,以期有效降低稻田CH₄和N₂O排放对CO₂浓度升高响应的不确定性.     

中国火山温泉气体地球化学特征及其在火山监测中的应用

中国火山温泉主要分布在吉林长白山、云南腾冲和黑龙江五大连池等火山区。这些火山虽然处于休眠状态,但大面积的温泉分布指示着岩浆房存在的可能性。本文总结了前人研究成果,分析了中国主要火山区温泉气体地球化学特征,并探讨了温泉气体在火山监测中的应用。长白山、腾冲和五大连池火山区温泉气体地球化学性质类似,都以CO₂为主要气体,含量在80%以上,最高可达99%以上,其它气体组分包括CH₄、N₂、O₂、SO₂、H₂S、He和H₂等。长白山火山温泉气体中氦同位素比值（3He/4He）最高,约为4—6R_A,CO₂中碳同位素比值（δ13C）为-7.9‰—-1.3‰,CH₄中碳同位素为-48.0‰—-28.7‰;腾冲火山温泉气体氦同位素比值为3—5.5R_A,CO₂中的碳同位素为-6.49‰—-2.07‰,CH₄中碳同位素为-23.5‰—-9.3‰;五大连池火山温泉气体氦同位素比值约为3R_A,CO₂中的碳同位素比值为-9.6‰—-3.1‰,CH₄中碳同位素为-47.2‰—-44.4‰。3个火山区的温泉气体均显示地幔来源的岩浆气体特征,并在上升运移过程中受地壳或古俯冲物质的影响。     

三峡水库CO2、CH4通量监测分析研究

自成库以来,三峡水库CO₂、CH₄等温室气体通量较蓄水前发生明显改变。如何科学认识和客观评估三峡水库修建及运行对其CO₂、CH₄等温室气体通量的影响备受关注。本文简要回顾了自2009年以来在三峡水库开展CO₂、CH₄等温室气体通量监测与分析工作,综述认为,现阶段三峡水库温室气体排放以水-气界面扩散释放为主要途径。陆源输入的有机碳是主导三峡水库CO₂、CH₄产生的主要碳源,但在局部区段或时段自源性有机碳的贡献亦十分显著。同蓄水前相比,三峡水库碳排放量呈现为净增加,淹没效应约占水库C净增量的20%,库区内点面源污染负荷并未对CO₂排放的净增量产生显著贡献,阻隔效应和生态系统重建效应对三峡水库碳排放的净增量产生显著贡献。近10年来,监测方法比对、监测点位优化等工作在一定程度上完善了三峡水库温室气体通量监测体系。新方法、新技术的引入也为三峡水库温室气体通量监测分析提供了有利支撑和保障,但复杂水文环境...     

华北地区冬小麦田水热、二氧化碳和甲烷湍流输送特征的实验研究

本文利用2012年4月30日至5月10日华北地区大气湍流实验资料,分析了冬小麦田下垫面温度、湿度、二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)的湍流统计和输送特征,利用涡旋相关法计算的CH4通量值确定了松弛涡旋累积(REA)法计算CH4通量的经验系数.结果表明,不稳定层结下,温度、湿度、CO2和CH4的归一化标准差随稳定度参数z/L的关系满足-1/3幂次关系.热量、水汽和CO2水平方向的湍流输送和垂直方向的比值与稳定度参数z/L存在一定的相关关系,但CH4没有类似特征.实验期间,感热通量数值较低,潜热通量较高;CO2在夜间表现出微弱的向上输送,其余时段为向下输送,可以认为实验站所在地区是碳汇;CH4的湍流输送整体为向下输送,无明显的日变化规律,可以认为是CH4汇.利用松弛涡旋累积法获取CO2和CH4通量的参数取值分别为0.61和0.30.     

2013年芦山MS7.0地震前后甲烷排放时空演化分析

为研究地震活动与大气甲烷浓度时空演变之间的关系,以芦山M_S7.0地震为例,基于极轨卫星AQUA上搭载的卫星大气红外探测器(AIRS)获取的甲烷数据产品,通过背景值差值法对该地震前后甲烷柱浓度信息、垂直浓度廓线信息及长时间序列变化信息进行提取,挖掘芦山地震前后甲烷异常排放的时空演化特征.结果表明:2013年1—4月芦山震中区存在明显的甲烷浓度升高;甲烷浓度时空演化趋势为初始排放→激增扩散→聚敛加强→相对减弱→震后排放→回复平静;震前震中区甲烷柱浓度为该地区2008年1月—2016年8月异常最显著的时段.因此认为芦山M_S7.0地震前甲烷排放浓度升高现象或为该地震的前兆信息.      

大气CO2浓度非均匀动态分布条件下的气候模拟

利用现有大气本底站的大气CO₂浓度观测信息,综合考虑不同经济区划与土地覆盖类型对应的CO₂浓度差异及其季节变化规律,构建模式区域内以月为单位的网格化大气CO₂浓度非均匀动态分布数据模型.由此数据模型驱动RegCM4-CLM3.5区域气候模式运行,对东亚区2000年3月—2009年2月之间的气候变化特征进行了模拟,进而对大气CO₂浓度非均匀动态分布可能引起的区域气候效应进行了初步研究.结果表明:目前气候模式中CO₂浓度的常态均匀分布假设可能将温室效应夸大了10%左右.对大气CO₂浓度非均匀动态分布影响气温变化的可能机制进行研究表明:CO₂的自身效应(改变大气透射率)并不是导致Exp2试验温度降低的主要原因.大气CO₂浓度的变化影响了大气与植物胞间CO₂分压差,陆地植被通过改变气孔阻力适应这种变化,气孔阻力的变化直接影响到植物与大气间水分的交换,这种作用一方面通过蒸发冷却改变环境温度,另一方面,蒸发水分改变了近地面层湿度,进而水汽扩散到空中影响低云的分布.冬季,植物处于非生长季,对大气CO₂浓度变化响应微弱,湿度和低云变化不明显;夏季,植物生长旺盛,由CO₂生理学强迫激发的云反馈效应强烈,其效果是使中低云趋于增加,进而减弱了到达对流层低层的太阳短波辐射,造成温室效应减弱.     

N2O增加对大气环境影响的模拟及其与甲烷和平流层水汽影响的比较

本文利用美国国家大气环境中心(NCAR)的二维化学、辐射和动力相互作用的模式(SOCRATES),模拟了大气中N₂O增加对O₃和温度的影响,并从化学、辐射和动力过程讨论了影响原因,此外还与大气甲烷和平流层水汽增加对大气环境的影响进行了对比.分析表明:大气中N₂O浓度增加以后,将通过化学过程引起30 km以上O₃损耗,30~40 km损耗较多;30 km以上降温明显,下平流层中低纬度地区以及对流层O₃增加并有微弱升温;30~40 km附近,北半球中高纬地区O₃减少以及降温幅度都大于南半球.对流层升温主要是N₂O和O₃增加所致,而平流层温度变化主要受O₃控制.北半球中高纬地区动力过程对温度变化的反馈较其它地区明显,这种反馈对平流层中高层北半球中高纬地区温度和O₃的变化都有明显影响.大气中甲烷增加引起的O₃损耗在45 km以上,45 km以下O₃增加.平流层水汽增加会引起40 km以上O₃减少,20~40 km大部分地区O₃增加.N₂O增加造成的O₃损耗正好位于臭氧层附近,其排放对未来O₃层恢复至关重要.N₂O增加引起下平流层15~25 km中低纬度地区有弱的升温,这与其它温室气体增加对该地区温度的影响不同,CO₂,CH₄和H₂O等增加后下平流层通常是降温.     

新保安—沙城断裂带土壤气地球化学特征分析

测量断裂带土壤气浓度变化, 是监测断裂活动性和地震危险性的重要途径之一。 2014年5月, 我们在怀来地区新保安-沙城断裂测量了断层土壤气H₂、 He、 CO₂、 Rn、 Hg浓度以及CO₂、 Rn、 Hg的通量。 测量结果显示: H₂、 He、 CO₂、 Rn、 Hg浓度变化范围分别为, H₂: (0.4～34.2)×10^-6、 He: (2.8～7)×10^-6、 CO₂: (0.051～1.19)%、 Rn: (0.31～18.22) kBq/m³、 Hg: (2～54) ng/m³。 土壤气H₂和Rn是揭示断层位置的有效参数之一, 在断层附近以及有陡坎的地区有明显高值异常。 通过对怀来地区新保安-沙城断裂土壤气浓度及通量地球化学研究初步确定断裂带有较高的脱气强度, 与此区域地震活动性有一定的关系。     

北天山泥火山对2012年6月30日 新源-和静MS6.6地震的响应

2012年6月30日新源-和静M_S6.6地震前后, 北天山泥火山出现了喷溢和地球化学异常变化. 该地震前、 后4天内两次观测了北天山泥火山, 采集了两批温泉和泥火山气体样品, 测定了样品的气体组分和He、 Ne同位素及CH₄、 CO₂的碳同位素组成. 结果表明, 泥火山发生了同震喷发, 气体排放量增加, 温泉和泥火山气体出现了不同程度的微量气体浓度异常, 独山子泥火山震前出现了3He/4He高值异常. 研究结果有利于确定利用泥火山和温泉监测地震活动的方法和指标.      

怀安盆地北缘断裂东段土壤气体地球化学特征

活动断裂带的土壤气体地球化学测量在活动断裂危险性评价方面起着重要作用。 本文讨论了怀安盆地北缘断裂东段的土壤气体地球化学特征及其构造意义。 我们于2012年7月和2013年6月在怀安盆地北缘断裂东段的羊窖沟以及张家窑两地现场测量了土壤气体组分的浓度和通量。 测量结果表明: ① 断裂带土壤气H₂、 Rn、 CO₂和Hg浓度空间分布曲线呈现双峰模式, 且断裂下盘土壤气的Rn、 CO₂和Hg浓度较上盘的高; H₂、 Rn、 CO₂和Hg浓度平均值分别是4.61 ppm、 4.81 k Bqm^-3、 0.38%和9 ngm^-3; 土壤气Rn和CO₂的通量平均值分别是6718 Bqm^-2d^-1和49.83 gm^-2d^-1; ② 土壤气Rn和CO₂在两个测区脱气强烈, 羊窖沟地区土壤气CO₂、 Rn和Hg浓度平均值以及土壤气Rn和CO₂通量值较张家窑地区高。 这些结果可能是两个测区断裂活动性差异引起的。