Picarro G2401—歐洲西南部大西洋沿岸地區(qū)大氣甲烷的短期趨勢和時間變化
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2024.120665
引言
甲烷（CH4）作為一種強(qiáng)效溫室氣體，對全球氣候變化具有重大影響。全球甲烷濃度自2007年以來以每年5 ppb的速度增長，甲烷濃度的變化及其驅(qū)動因素仍存在爭議。研究這些變化的原因和潛在源有助于更好地理解其對氣候的影響。
大量研究顯示，甲烷排放源復(fù)雜多樣，既有自然源（如濕地、海洋、森林火災(zāi)等），也有大量人為源（如農(nóng)業(yè)、化石燃料開采、廢棄物處理等）。盡管觀測技術(shù)的進(jìn)步，特別是衛(wèi)星遙感的發(fā)展，提高了甲烷監(jiān)測的準(zhǔn)確性，但地面觀測仍是重要的補(bǔ)充手段。
本研究關(guān)注西南伊比利亞半島，特別是瓜達(dá)爾基維爾河谷的城市和工業(yè)區(qū)，如韋爾瓦、塞維利亞和加的斯。目標(biāo)是識別這些區(qū)域的甲烷排放源，并分析其濃度變化。通過結(jié)合衛(wèi)星觀測、氣象模型和地面觀測數(shù)據(jù)，研究提供了一個全面的甲烷排放和濃度變化圖景。
研究方法
研究區(qū)域
本研究的研究區(qū)域位于伊比利亞半島的西南部，是一個具有自然保護(hù)價值的沿海地區(qū)。具體而言，甲烷測量是在位于加的斯灣的El Arenosillo觀測站進(jìn)行的（37.1°N, 6.7°W，海拔42米）。該觀測站位于大西洋海岸線上的瓜達(dá)爾基維爾河及其相關(guān)河谷的終點，坐落于Do?ana國家公園內(nèi)，該公園被松樹林環(huán)繞。
2019到2020年伊比利亞半島西南部甲烷排放源的平均水平分布
測量甲烷和氣象參數(shù)的儀器
2019年9月至2023年12月間，使用El Arenosillo大氣觀測站的Picarro G2401溫室氣體分析儀對甲烷進(jìn)行了觀測。Picarro每月進(jìn)行校準(zhǔn)，使用三個校準(zhǔn)氣瓶，均為歐洲綜合碳觀測系統(tǒng)（ICOS）指定的氣體混合物。目前，El Arenosillo站點正在進(jìn)行標(biāo)簽化處理，并被列為第2類大氣站。Picarro儀器放置在溫度可控（~20℃）的實驗室內(nèi)，觀測數(shù)據(jù)的時間分辨率為1 s，然后將其平均至1，10和60 min。在這項工作中，使用了每小時的值。在第一階段，測量是連續(xù)的，因為只有10 m 高度被采樣，但在第二階段（儀器位于100 m高塔的底部），由于在每個高度每10 min記錄一次測量數(shù)據(jù)，每小時獲得20或30 min的數(shù)據(jù)值。
使用Vaisala WXT-530儀器記錄本地風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)，觀測結(jié)果來自位于地面10 m以上的高度，每10 min記錄一次，并平均至每小時的數(shù)據(jù)。
排放清單和數(shù)據(jù)反演方法
為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，研究還結(jié)合了ECMWF的ERA5氣象數(shù)據(jù)和CAMS（哥白尼大氣監(jiān)測服務(wù)）的全球排放清單。ERA5提供了高分辨率的氣象數(shù)據(jù)，幫助分析天氣和氣候模式對甲烷濃度的影響，而CAMS的排放清單則用于估算區(qū)域內(nèi)不同來源的甲烷排放量。
地面觀測在研究區(qū)域內(nèi)的多個地點進(jìn)行，用于驗證并補(bǔ)充衛(wèi)星數(shù)據(jù)。這些地面觀測點提供了詳細(xì)的本地甲烷濃度數(shù)據(jù)，幫助識別具體的排放源，并分析甲烷在不同氣象條件下的變化規(guī)律。
研究結(jié)果和總結(jié)
甲烷濃度和潛在排放源
使用了2019年和2020年期間的CAMS全球排放清單來識別可能影響伊比利亞半島西南部的甲烷排放源。人為排放集中在瓜達(dá)爾基維爾河谷的特定和明確定義的地區(qū)，特別是韋爾瓦、塞維利亞和加的斯的城市和工業(yè)區(qū)，這些地區(qū)排放量超過350 g km2 h-1。整個瓜達(dá)爾基維爾河谷（~175-250 g km2 h-1）均勻地顯示出排放，很可能與農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)活動有關(guān)。
甲烷的摩爾分?jǐn)?shù)在冬季和秋季最高，夏季最低。冬季的95百分位數(shù)為2064 ppb，平均值為1994 ± 42 ppb。秋季是第二高甲烷季節(jié)，95百分位數(shù)為2041 ppb，平均值為1984 ppb。夏季的變異性較低，95百分位數(shù)達(dá)到2000 ppb，平均值為1961 ppb。
使用風(fēng)向數(shù)據(jù)，通過風(fēng)玫瑰圖表示了季節(jié)變化，顯示了不同風(fēng)向與對應(yīng)甲烷值的關(guān)系。冬季主要受來自內(nèi)陸的NE-E氣流影響，春季和秋季風(fēng)向主要來自W-NW扇區(qū)和第一象限，即海洋和大陸來源。夏季特征是大西洋氣團(tuán)的到來和海陸風(fēng)的發(fā)展，其日循環(huán)也來自大西洋。
短期趨勢和時間變化
基于日平均值，El Arenosillo觀測站記錄的甲烷（CH4）顯示出一個短期上升趨勢，趨勢為12.1±1.2 ppb/年。盡管數(shù)據(jù)中存在間隙，CH4的日均值隨時間的變化顯示出明顯的季節(jié)性模式和上升趨勢。在冬季月份觀察到CH4的峰值，例如2020年1月和2023年12月。
海德堡地區(qū)RTM方法估算的甲烷通量與清單法的比較
甲烷日均值和7天均值的時間序列和線性趨勢
對El Arenosillo的趨勢分析與Azores和Lampedusa兩個站點的趨勢進(jìn)行了比較。Azores站點的趨勢為18.1±3.4 ppb/年，而Lampedusa站點的趨勢為13.7±4.1 ppb/年，均表現(xiàn)出顯著的上升趨勢。分析了甲烷的月度變化，并使用年均值來描述相對變化。El Arenosillo、Azores和Lampedusa三個站點的季節(jié)性周期都顯示出夏季最小值，而El Arenosillo在1月份達(dá)到最大值，Azores和Lampedusa在3月份達(dá)到最大值。
討論了不同站點之間月度變化的差異，這些差異可能主要由排放和大氣動力學(xué)引起。年際變化可能與影響排放的天氣條件有關(guān)，尤其是生物源排放。分析了El Arenosillo地區(qū)甲烷的日變化模式，CH4在夜間增加，在日出時開始下降，并在18:00-19:00 UTC達(dá)到最低值。這種日變化可能與大氣垂直穩(wěn)定性、夜間逆溫層、OH自由基的缺失以及來自其他區(qū)域的水平輸送有關(guān)。
三個站點的甲烷濃度平均月變化（a）、El Arenosillo站點的季節(jié)性日變化（b）
大氣傳輸模式對區(qū)域甲烷動態(tài)的影響
研盡管甲烷具有全球分布和較長的壽命，但其行為模式可能受到區(qū)域排放和天氣輸送模式的影響。為了實施區(qū)域減排策略，理解區(qū)域排放源和根據(jù)典型輸送模式的甲烷分布至關(guān)重要。
基于小時風(fēng)向數(shù)據(jù)，識別了三種典型的大氣輸送模式：海洋氣流、來自瓜達(dá)爾基維爾河谷的大陸氣流，以及純沿海微風(fēng)。在大西洋氣流影響下，甲烷可以被視為該地區(qū)的基準(zhǔn)線，幾乎不表現(xiàn)出日變化周期。在來自內(nèi)陸瓜達(dá)爾基維爾河谷的大陸氣流影響下，甲烷摩爾分?jǐn)?shù)比海洋條件下記錄的高出40到80 ppb，顯示出明顯的日變化周期，可能受到內(nèi)陸輸送的甲烷和大氣垂直穩(wěn)定性的強(qiáng)烈影響。在沿海微風(fēng)模式下，甲烷表現(xiàn)出受海陸微風(fēng)制度強(qiáng)烈調(diào)節(jié)的日變化周期。然而，在這些循環(huán)過程中并未觀察到甲烷的積累。在某些氣象條件下，如在瓜達(dá)爾基維爾河谷的大陸氣流期間，觀測到的沿海地區(qū)甲烷濃度升高，這歸因于從河谷輸送的甲烷，可能包括自然和人為排放源的總和。
2021年12月22日至28日100 m處3小時后向軌跡
研究結(jié)果表明，瓜達(dá)爾基維爾河谷的內(nèi)陸地區(qū)在特定天氣條件下可能對沿海地區(qū)的甲烷有貢獻(xiàn)。預(yù)計未來幾年，El Arenosillo將繼續(xù)進(jìn)行甲烷測量，這將有助于識別觀測趨勢中的潛在變化，評估自然和人為排放在甲烷觀測中的作用，了解從如西地中海盆地等地區(qū)輸送的甲烷的貢獻(xiàn)，或評估其對地表臭氧的影響，以及其他未來目標(biāo)。
