氣候變化問題日益嚴峻，甲烷是僅次於二氧化碳的全球第二大溫室氣體，其大氣濃度變化對氣候系統影響顯著。近年來全球甲烷濃度快速上升，甲烷源匯變化與調控機製備受關注。全球甲烷源匯收支不僅受到自然排放和人為活動的影響，還與空氣污染之間存在著複雜的相互作用。
近日，清華大學深圳國際研究生院環境與生態研究院副教授鄭博帶領由中國、法國和德國學者構成的國際研究團隊，系統揭示了空氣污染如何通過調節大氣中羥基自由基（OH）濃度來影響全球甲烷收支，為應對全球氣候變化、協同開展減污降碳提供了新的理論基礎。
全球大氣甲烷濃度自2007年以來急劇上升。除來自濕地、能源、農業和廢棄物等自然和人為甲烷排放源外，甲烷在大氣中的氧化去除過程也是調控其濃度的關鍵因素。羥基自由基OH是大氣中最重要的氧化劑，約90%的甲烷化學匯（即甲烷被消耗過程）由OH貢獻。然而，長期以來，科學界對於空氣污染物如何在數十年時間尺度上影響全球OH以及甲烷收支的量化研究仍不完善。傳統研究通常僅依賴單一的觀測數據或大氣模型模擬，難以全面捕捉空氣污染物、OH濃度以及甲烷匯之間的複雜動態交互關係。
該研究創新性地開發了一種集成大氣觀測和過程模型耦合驅動的研究框架，量化了全球主要空氣污染物對甲烷化學匯的影響。研究團隊利用先進的大氣化學模型、多源大氣成分觀測與再分析數據，結合化學箱模型敏感性實驗構建OH對其前體物濃度變化的響應曲線，系統分析了2005年至2021年間，全球一氧化碳（CO）、臭氧（）、水汽（(g)）、氮氧化物（）和總臭氧柱（）等主要OH前體物時空變化對全球OH和甲烷收支的系統影響。這種方法不僅考慮了全球尺度上的長期整體變化，還關注了時空異質性，為理解空氣污染與甲烷收支之間的相互作用提供了全新的視角。
研究發現，2005年至2021年間，全球臭氧、水汽濃度增加，一氧化碳濃度降低，這些變化共同驅動全球OH濃度顯著上升，年增長率達到0.2%至0.4%。受全球OH濃度上升影響，全球甲烷匯增加了1.3至2.0 Tg/，顯著減緩了大氣中甲烷的增長速度。這一甲烷匯的增加主要集中在熱帶地區，並呈現出明顯的全球南北半球變化不對稱性特徵。北半球中高緯度地區的OH濃度與甲烷匯的變化受到更多人為活動的影響。這種全球與區域尺度的協同分析，為制定針對性的空氣質量和氣候政策提供了科學依據。
研究指出，在極端事件期間，如2015-2016年的超強厄爾尼諾事件和2020-2021年的新冠疫情期間，空氣污染物濃度的劇烈變化對OH濃度和甲烷匯產生了短期顯著影響。例如，在2015-2016年厄爾尼諾事件期間，熱帶地區的大規模野火導致一氧化碳濃度大幅上升，削弱了全球甲烷匯，增加了大氣中甲烷濃度。在新冠疫情期間，人類活動減少，臭氧濃度下降，導致OH濃度降低，進而使甲烷匯減少，部分抵消了因人為排放減少帶來的甲烷增長放緩效應，刺激了全球甲烷濃度增速的進一步快速上升。
圖1.OH自由基前體物驅動的全球對流層OH自由基濃度和甲烷匯的變化
研究闡明，全球空氣污染與甲烷源匯收支之間存在複雜相互作用，揭示了實施空氣質量和氣候政策時需要綜合考慮兩者之間的協同效應。例如，雖然減少臭氧污染有助於改善空氣質量，但可能會降低OH濃度，進而減少甲烷的氧化匯，導致甲烷濃度上升。因此，未來需要在減少空氣污染物排放的同時，系統評估其對全球甲烷收支的影響，以實現空氣質量改善和氣候目標的雙贏，在減污降碳政策實施中不僅需考慮源還應考慮匯一側的交互作用。
研究為監測和評估全球OH濃度及其對甲烷匯的影響提供了一種新的研究模型工具。通過定期更新驅動因子輸入數據，研究構建的模型系統可以跟蹤OH濃度的時空變化，為動態研究其對全球甲烷收支的調控作用提供支持。這對於制定科學合理的氣候政策以應對氣候變化具有重要現實意義。
圖2.全球空氣污染與OH自由基、甲烷源匯收支之間的複雜相互作用
相關研究成果以「大氣污染影響全球甲烷收支的趨勢和年際變化」（Air pollution modulates trends and variability of the global methane budget）為題，於5月28日以研究論文（Article）形式發表於《自然》（Nature）。
鄭博為論文通訊作者，中國海洋大學副教授趙園紅為論文第一作者。論文作者還包括中國科學院外籍院士、清華大學傑出訪問教授、法國環境與氣候科學實驗室研究員菲利普·西亞斯（Philippe Ciais），來自法國環境與氣候科學實驗室、德國於利希研究中心的多名合作者，以及中國海洋大學與清華大學深圳國際研究生院的研究生。
研究得到國家自然科學基金、深圳市生態修復與固碳增匯重點實驗室和山東省自然基金等項目的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09004-z
來源：深圳國際研究生院
