大气甲烷（CH₄）作为重要的温室气体，在100年内的全球增温潜势是CO₂的28倍。在关键区域缺失CH₄观测给反演全球和区域CH₄排放带来较大的不确定性，限制了对全球CH₄变化的理解。秦岭是我国南北地区重要的地理分界线，也是“中国最绿区域”，在这个重要固碳增汇区进行大气CH₄综合立体观测并探究其来源，有助于了解区域CH₄动态变化，评估区域碳排放。

中国科学院地球环境研究所核环境安全与碳排放监测团队在秦岭北麓的陕西关中平原区域生态环境变化与综合治理国家野外科学观测研究站开展为期两年的塔基大气CH₄高精度连续观测，并利用无人机平台在冬夏季进行大气CH₄垂直观测（< 2000 m）（图1），以此揭示秦岭北麓大气CH₄的时空变化特征、受气象因素以及传输的影响。具体结果如下：

塔基（20 m）Picarro在线连续观测表明，（1）观测期间（2021年3月-2023年2月）大气CH₄年均浓度为2119.6 ± 108.8 ppb，年增加0.65%（i.e., 13.6 ppb）（图2a）。CH₄浓度在冬季最高，夏季较低且日振幅最大（图2b）。日均大气CH₄浓度受人为活动的显著影响，取暖期CH₄浓度（2169.4 ± 120.0 ppb）显著高于非取暖期（2094.4 ± 93.1 ppb）。取暖期超过背景水平的CH₄（ΔCH₄）和CO₂（ΔCO₂）（r=0.96, p < 0.05）、ΔCH₄和ΔCO（r=0.96, p < 0.05）均呈显著正相关，表明取暖期间CH₄在化石燃料和生物质的不完全燃烧过程中随CO₂和CO共同排放，其浓度受燃烧源影响。（2）近地面风显著影响大气CH₄的累积、传输和扩散。秦岭北麓各季节CH₄浓度增加来自静稳天气下（< 2 m s^-1）的本地源累积（图3）。后向轨迹分析表明秦岭北麓大气CH₄主要来自西安市本地排放和秦岭南部通过山谷的短距离输送。（3）垂直观测结果表明，夏季观测期CH₄浓度随海拔在200 ~ 500 m上升，在500 ~ 1000 m下降（图4 a-e）。冬季取暖期CH₄浓度从近地面（20 m）增加至200 m达到峰值，在200 ~ 2000 m降低，其中500 ~ 1000 m下降速度最快（图4 j-n）。冬季观测期间发生了一次雾霾事件（图5），雾霾初期（AQI < 150）不同高度CH₄浓度随时间呈上升趋势；雾霾发展期（AQI > 150）所有高度（尤其低于500 m）CH₄水平显著增加，受来自西北、东南方向污染地区水平传输的影响，弱扩散条件和盆地地形导致观测点较高的CH₄水平维持了近两天时间；此后雾霾消散，空气质量好转（AQI < 150），所有高度CH₄浓度开始下降。垂直观测进一步证实了传输对秦岭北麓CH₄浓度的重要影响。

研究成果发表于大气领域国际知名刊物《Atmospheric Environment》，博士研究生刘婉玉和西安地球环境创新研究院职工冯雪为共同第一作者，通讯作者为牛振川研究员。研究受国家自然科学基金（42173082、42330114）、中国科学院先导专项（XDA23010302）和陕西省自然科学基础研究计划（2024JC-JCQN-34）的共同资助。

Liu, W^#., Feng, X^#., Niu, Z*., Zhou, W., Chen, H., Liang, D., Lyu, M., Wang, G., Liu, L., 2024. Temporal characteristics and vertical profiles of atmospheric CH₄ at the northern foot of the Qinling Mountains in China. Atmospheric Environment, 120786, https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2024.120786.

图1. 秦岭北麓大气CH₄的综合立体观测研究

图 2. 秦岭北麓近地面观测期间（a）大气CH4日均浓度变化和（b）各季节大气CH₄小时浓度变化

图3. 观测点大气CH₄浓度随风速的变化

图4. 秦岭北麓观测期间大气CH₄的垂直变化

图5. 取暖期雾霾事件中不同高度CH₄浓度的变化