大气甲烷浓度长期变化及未来趋势

应用初步建立的全球二维大气化学模式,对工业革命以来甲烷的长期变化进行了模拟研究。模式将CH4、CO和NOx排放源方案进行了参数化。在考虑了CH4排放源以及对OH浓度有重要影响的CO和NOx排放源的长期变化的基础上,模拟了CH4和OH浓度自1840年到20世纪90年代的长期变化趋势。结果表明,工业革命前的大气甲烷体积分数和年排放总量分别为760×10-9和280Tg,1991年大气甲烷的体积分数和年排放总量分别为1611.9×10-9和533.9Tg。而对流层中OH的数密度则由1840年的7.17×105cm-3变化到1991年的5.79×105cm-3,下降了19%。如果CH4、CO及NOx这三种排放源继续按给定的方案增长,那么到2020年大气甲烷的体积分数和年排放总量将增加为2090.7×10-9和966.2Tg,而OH的数密度将为5.47×105cm-3,比1840年降低24%。     

全球二维大气化学模式和大气化学成分的数值模拟

建立了一个全球二维纬向平均化学模式,模式包括了从90°S到90°N,从地面到20 km高度的大气.模式中应用的流场来自根据加热率计算得到的剩余环流.模式化学部分包括34种大气成分、104个化学反应和光化学反应.其中,甲烷、一氧化碳和氮氧化物排放分为季节性和非季节性排放源,并将其参数化为时间和纬度的函数再应用到模式中去.按1990年的甲烷、一氧化碳和氮氧化物的的排放水平模拟得到了多种大气组成的分布,模拟结果与观测有较好的一致性.由于模式考虑了一氧化碳的季节变化,模拟得到的OH自由基分布更为合理.模式的建立为今后进一步研究大气微量成分的全球循环过程及其长期变化提供了有效的手段.     

中国甲烷排放现状

介绍了１９９０年和１９９４年我国甲烷排放源估算工作。首先,对１９９０年的甲烷排放源进行了收集和完善,尤其是对１９９０年城市垃圾甲烷排放源重新做了计算;其次,根据最新研究资料,对１９９４年的甲烷排放源重新作了计算;最后把１９９４年甲烷排放与１９９０年进行了对比。研究表明,中国１９９０年和１９９４年甲烷排放分别为３０９２×１０６ｔ和３２９１×１０６ｔ,分别约占当年全球总排放的５９％和６１％,其中,采煤、油气领域泄漏、反刍动物与动物粪便、垃圾填埋等甲烷排放有所增大,而生物质燃烧、稻田甲烷的排放有所减少,农村堆肥中的甲烷排放变化不大。     

大气中一氧化碳浓度变化的模拟研究

应用全球二维大气化学模式,模拟了CO、CH4和OH自由基等成分自工业革命到2020年的长期变化.模拟的全球CO平均体积分数在1840年、1991年和2020年分别为27×10-6、76×10-6和105×10-6.从1840到1991年,OH自由基数浓度从7.17×105个分子/cm3下降到5.79×105个分子/cm3,降低了19%.模拟的CH4长期变化与冰芯资料相符.模拟的20世纪80年代CO体积分数年增长率为1.03%～1.06%.大气中CO在20世纪90年代前是增长的,而到90年代初观测到CO体积分数突然下降.应用二维大气化学模式对此原因进行了模拟研究,结果表明,CO排放源的减少是CO体积分数下降的主要因子,平流层臭氧减少是另一个重要因子.尽管CO排放源的减少对大气CH4增长率的变化有较大影响,而CH4排放源减少对CO体积分数变化却几乎没有影响.     

北京大气中主要温室气体近10年变化趋势

对1993～2002年10年间北京市大气中三种主要温室气体的监测数据进行分析,研究二氧化碳、甲烷和氧化亚氮这三种温室气体浓度的变化趋势,并初步探讨了造成这种变化的原因.分析结果表明:北京市大气二氧化碳浓度总体是上升趋势,且后5年增长较快;大气甲烷浓度前5年缓慢上升,后5年转为下降,总体已是下降趋势;与大气二氧化碳变化趋势相似,大气氧化亚氮总体也是上升趋势,后5年增长较快.     

中国稻田甲烷排放在减少

2005年6月8-9日在中国气象局召开了中国科技部和美国能源部合作项目“气候科学”的第三届科学工作组会议。在会上,美国Portland State University物理系Khalil教授做了一个引人注意的报告,基于对中国稻田甲烷排放的多年测量进行分析,提出了中国稻田甲烷排放在减少,人口增长与稻田甲烷排放没有明显的关系,稻田可能不再是一个减少甲烷排放的有效途径以及现在大气甲烷浓度年增长率在减小和变化趋势趋于稳定等结论。笔者对以上结论作了简要介绍和分析。     

150年来大气甲烷浓度的长期变化

应用作者建立的全球二维大气化学模式 ,采用 2种CH4 排放源的长期增长方案 ,同时考虑了CH4 排放源以及对OH自由基浓度有重要影响的CO和NOx 排放源的长期变化 ,模拟了CH4 和OH从 1840～ 2 0 2 0年的长期变化趋势。考虑了世界人口增长的排放源方案可以更好地模拟CH4 的长期变化 ,模拟结果表明 ,工业革命前的大气CH4 浓度和年排放总量分别为 76 0× 10 -9(V/V)和 2 80× 10 9kg ,1991年大气CH4 的浓度和年排放总量分别为16 11.9× 10 -9(V/V)和 5 33 .9× 10 9kg ,对流层OH自由基数浓度从 1840年的 7.17× 10 5分子数 /cm3 下降到 1991年的 5 .79× 10 5分子数 /cm3,降低了 19%。工业革命以来大气CH4 的增长一方面是由于CH4 排放源的增长 ,另一方面是由于大气OH浓度的下降。     

我国甲烷排放情景分析:IPAC模型结果

近期发布的IPCC第六次评估报告再次强调了短寿命期温室气体减排对温升减缓的作用。甲烷是最重要的短寿命期非CO₂温室气体。在各国提出各自新的减排目标之后,针对甲烷减排的行动方案也越来越多。甲烷减排正在成为下一阶段各国和全球合作的重点领域之一。本文在我国碳减排目标下的能源转型基础上,结合其他非能源活动的减排排放源的减排技术选择基础上,利用IPAC模型对未来甲烷的排放情景进行了分析。在模型设定的两个情景分析基础之上,研究发现,到2050年的能源转型可明显减少能源活动的甲烷排放,和2015年相比能源活动的排放可减少67％。和其他行业相比,能源部门的甲烷减排具有更好的协同性。如果考虑进一步减排甲烷,则需要在考虑其他大气污染物减排的基础上,可通过实现天然气的进一步减排来实现。同时其他部门的甲烷减排也具有很大潜力,低甲烷排放情景可以实现到2050年将甲烷排放减少到1 494万吨,和2015年相比全范围排放可减排58％。     

不同浓度污染气溶胶对一次暴雨的影响

本文应用WRF-Chem模式耦合人为排放源,模拟了2011年8月13日的一次强降水过程,研究了正常（试验Norm）和两种极端情况（试验High和试验Low）下3种排放强度的人为污染气溶胶对微物理过程和降水的影响。结果表明:不同排放强度下降水开始的时间没有变化,低排放情况下降水区域未发生变化,暴雨前期试验Low的降水增强,后期减弱,降水中心强度减弱,周边降水增强,降水分散;高排放情况下降水区域明显减小,降水强度和各个量级的降水区域都减少。雨水和霰含量的变化是导致降水发生变化的原因,不同强度的污染气溶胶通过影响微物理过程影响大气的热力和动力过程,大气动力过程的变化反过来又通过微物理过程影响降水粒子的增长,从而影响地面降水。影响机理可概括为:当污染气溶胶的排放浓度增强,水汽凝结和冰晶凝华增长过程的减弱导致微物理过程的大气加热减弱,可用于发展对流的能量减少,上升运动减弱,对流强度的减弱抑制了了雨水和霰收集云水的增长,导致了可降水粒子含量的减少,降水减弱。     

北京大气甲烷季变化及发展趋势

近年来北京大气中CH4含量仍在上升,但平均增长率已从1985～1989年的1.76%.a-1,下降到1990～1997年的0.50%.a-1;冬季和夏季两次出现峰值,表现出明显的双峰模态季节变化。但北京大气CH4变化的最大特点是年际季变化不均一,12年中,北京大气CH4共计增长185×10-9混和体积比,其中冬季增长的贡献为69×10-9混和体积比,约占总增长的37%;而夏季的增长贡献不足40×10-9混和体积比,约占总增长的21%。90年代以后,北京大气CH4增长率进一步减慢,主要原因是生物源排放不再增加,而非生物源排放量的增长是大气CH4继续增长的主要原因。     

Modeling the Sudden Decrease in CH_4 Growth Rate in 1992

1.IntroductionMethane(CH#)isanimportantgreenhousegasinatmosphere.ThemainremovalprocessofCH4inatmosphereisreactedwithOHwhichisdeterminedbytheabundanceofmethane,carbonmonoxide(CO)andnitrousoxides(NO.)whoseemissionshaveincreasedgreatlybecauseofhumanacti...     

Modeling the sudden decrease in CH4 growth rate in 1992

A two-dimensional global chemistry model is developed to study the distribution and long-term trends of methane. The model contains 34 species and 104 chemical and photochemical reactions. Using the model, the long-term trends of CH₄, CO and OH in atmosphere are simulated, comparison between the model and observations shows that the simulation is successful. Experiments are done to investigate the causes of dramatic decrease in the growth rate of CH₄ in 1992 such as OH increase due to stratospheric ozone depletion, decrease of temperature in the troposphere due to Mount Pinatubo eruption and descendent of CH₄ sources fluxes. A new explanation is proposed and verified by this model that the decrease of CO emission plays an important role for the abnormal growth rate of CH₄ in 1992. We find that the decreases of CH₄ and CO emissions are the main reasons for the sudden decrease of growth rate of CH₄ in 1992, which account for 73% and 27% respectively.     

Modeling Methane Emissions from Paddy Rice Fields under Elevated Atmospheric Carbon Dioxide Conditions

Methane(CH4 ) emissions from paddy rice fields substantially contribute to the dramatic increase of this greenhouse gas in the atmosphere.Due to great concern about climate change,it is necessary to predict the effects of the dramatic increase in atmospheric carbon dioxide(CO2 ) on CH4 emissions from paddy rice fields.CH4MOD 1.0 is the most widely validated model for simulating CH4 emissions from paddy rice fields exposed to ambient CO2(hereinafter referred to as aCO2 ).We upgraded the model to CH4MOD 2.0 b...     

Global two dimensional chemistry model and simulation of atmospheric chemical composition

1.IntroductionAgreatchangehastakenplaceinglobalatmosphericchemicalcompositionbecauseofhumanactivitiessinceindustrialrevolution.Numericalsimulationisaneffectivetooltostudythechangeoftracegases.Inthelasttwentyyears,two--dimensionalchemical/transportmodelshavebeenextensivelydevelopedtosimulatethedistributionsoftracers(GidelandCrutzen,1983;Hough,1991;LawandPyle1993).Inordertopredictthefuturepossiblechangesofatmosphericspecies,itisnecessarytohaveabetterunderstandingofprocessessuchasemission,trans…     

瓦里关温室气体本底研究的主要进展

由于温室气体浓度显著增长及其在气候与环境变化中的作用,国际上众多的科学计划和观测体系都把它们的时空分布、源汇及趋势列为重要内容,获得的各种资料在评价人类活动对气候和环境的影响及有关对策研究中起着关键作用。文章阐述了在中国内陆本底地区开展温室气体长期、定点观测的意义和必要性,系统地讨论了10多年来中国瓦里关本底站温室气体本底研究的主要进展。利用瓦里关经严格国际比对和质量控制的大气CO2、CH4长期观测资料,结合同期的地面风资料进行统计分析,建立了瓦里关大气CO2和CH4本底资料筛选方法;利用本底观测资料,研究了瓦里关大气CO2及其δ13C、CH4和CO本底变化及源汇特征所体现的亚洲内陆地域特点和全球代表性,并进一步与同期、同纬度海洋边界层参比值(MBL)以及北半球其他6个大气本底站同期观测数据对比分析,发现了瓦里关大气CH4和CO独特的季节变化并探讨了成因;根据空气团后向轨迹簇所途经的下垫面源汇同观测的大气CO2和CH4浓度变化之间的关系,探讨了瓦里关大气CO2和CH4的输送来源;利用Hysplit-4扩散与输送模式,计算了冬、夏典型月份人为源和自然生态系统源汇对瓦里关大气CO2浓度变化的贡献。并在现有基础上,提出了有待进一步解决的科学问题。     

稻田CH4排放的农业气象数值模拟研究

在美国DNDC模式基础上, 综合气象学、农业气象学及生态学最新研究进展, 将作物生长、碳氮循环及CH₄排放有机耦合, 建立了一个CH₄排放数值模式, 模式通过了相关显著性检验。利用模式重点分析了气象因子对稻田CH₄排放的影响状况, 数值分析表明, 当仅考虑气象条件影响时: (1) 不同地区不同生长季节的CH₄排放量均与相应生长期的平均气温成正相关关系; (2) 功率谱分析表明稻田CH₄排放存在4~5年周期变化, 与相应生长季节的平均温度年际变化规律相一致; (3) CH₄排放量年际之间变化趋势与生长季平均气温变化趋势基本一致。利用数值计算结果, 给出了杭州及昌德地区早稻、晚稻CH₄简易统计模式, 为应用模型监测并调控农田生态系统中的CH₄排放奠定了基础。     

1955-2005年中国稻田甲烷排放估算

 将稻田甲烷排放模型CH4MOD和GIS空间化数据库结合,模拟估计了中国大陆1955-2005年水稻生长季稻田甲烷排放量。结果表明：中国稻田甲烷排放总体呈增加趋势,1960年代、1970年代、1980年代和1990年代年均排放量分别为（3.18±0.53）、（4.71±0.27）、（5.22±0.24）和（5.79±0.34）Tg,2000-2005年平均排放量为（6.25±0.36） Tg。1960-1975年增加最快,速率为0.167 Tg/a;自1970年代中期开始增加速率减缓,为0.054 Tg/a。中国稻田甲烷排放高值区主要分布在湖南、湖北、江西、广东、广西、江苏和安徽省,约占全国稻田甲烷排放总量的73.2%。自1980年代初以来,东北三省稻田甲烷排放增加显著,这主要归因于该区水稻种植面积的迅速扩大。     

A MODELING STUDY OF PARAMETERIZATION SCHEMES FOR DEPOSITIONAL GROWTH OF ICE CRYSTAL: FOUR RAINFALL CASES OVER TROPICS AND MIDLATITUDES

Depositional growth of ice crystal is one of the major processes for development of precipitation systems and can be represented by depositional growth of cloud ice from cloud water (PIDW) and depositional growth of snow from cloud ice (PSFI) in cloud-resolving model. Four parameterization schemes are analyzed in the cloud-resolving model simulations of four rainfall cases over the tropics and midlatitudes. The comparison of time and model domain mean data shows that Shen’s scheme produces the closest rainfall simulation to the observation. Compared to Zeng’s scheme, Shen’s scheme improves the mean rain-rate simulation significantly through the dramatic decrease in depositional growth of cloud ice from cloud water. Compared to other schemes, Shen’s scheme produces the better rainfall simulation via the reduction in the mean rain rate associated with the enhanced gain of cloud water and ice.     

半干旱草原温室气体排放/吸收与环境因子的关系研究

静态箱一气相色谱法对内蒙古半干旱草原连续两年的实验观测研究结果表明,内蒙古草原是大气CO2和N2O的排放源,而是CH4的汇.在植物生长不同季节,草原生态系统排放/吸收温室气体CO2,CH4和N2O的日变化形式各有不同,其中在植物生长旺季日变化形式最具特征.3种温室气体的季节排放/吸收高峰主要出现在土壤湿度较大的春融和降雨较为集中时期.所有草原植物生长季节CO2净排放日变化形式均为白天出现排放低值,夜间出现排放高值.较高的温度有利于CO2排放,地上生物量决定着光合吸收CO2量值的高低.影响半干旱草原吸收CH4和排放N2O日变化形式的关键是土壤含水量和供氧状况,日温变化则主要影响日变化强度.吸收CH4和排放N2O的季节变化与土壤湿度季节变化分别呈线性反、正相关,相关系数均在0.4～0.6之间.自由放牧使CO2、N2O和CH4交换速率日较差降低,同时使N2O和CH4年度排放/吸收量减少和CO2年度排放量增加.