主要

甲烷(CH4)贡献15 - 35%的辐射强迫的增加来自人类活动释放的温室气体6。大气甲烷高增长率(下)在过去的十年中,可能由于增加化石燃料和微生物来源7,8,9,10,11。2020年,经理从表面观察NOAA全球监测实验室的网站(GML)网络达到15.1±0.4含量年每年十亿分之几−1从1984年到2020年),最高的价值(扩展数据图。1)12。经理是在北方比在南半球,这表明乍一看增加北部(图源。1)。类似的,异常大,增长率为十亿分之14.8年−1也发现从总列浓度测量(交换吗4)由温室气体观测卫星(格;补充图。1)。同年,冠状病毒大流行导致一个强大的减少化石燃料的使用,可能伴随着一滴CH4从石油和天然气提取排放10%,据报道国际能源署(IEA)1在提取流域和区域的估计排放,比如二叠纪盆地13。减少碳的燃烧燃料14火和更低的排放15也导致更少的一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOx)发布的2020年上半年期间大气中16,17。两个公司也没有x影响大气浓度的氢氧自由基(OH),这是主要的CH水槽4。即使是很小的变化哦,有一个很大的影响下8。与此同时,大气CH4浓度也反馈哦,可以去除空气污染物,如公司和没有x(参考文献。18,19)。减少CO排放应该增加的浓度哦,而没有减少x排放应该减少哦(ref。5),除了在非常受污染的地区20.。因此,COVID-19排放变化下的净效应是不确定的。此外,2020年是特别热从早春到夏末在欧亚大陆北部,CH的敏感地区4排放生物来源如湿地、冻土衰退和北极湖泊,将释放出更多的CH4随着温度的增加。决定2020年高经理异常是由于更少的大气迁移造成下降哦或增强的发展关键是我们理解生物来源的人为和自然因素的复杂相互作用所需的甲烷预算即将到来的全球盘点巴黎协议。我们结合自下而上和自上而下的方法来理解下异常高2020年相对于2019年和量化表面异常来源和全球大气哦。

图1:大气MGRs四个纬度的乐队。
图1

一个- - - - - -d,年增长率来源于每周平均海洋表面大气甲烷浓度在NOAA表面网站的四个纬度的乐队以前的工作45。颜色对应的年增长率:暖色为更高的增长率和很酷的颜色较低的增长率。灰色阴影部分显示了标准偏差的年度增长率。

源数据

全尺寸图像

自底向上的视图的排放异常

首先,我们估计人为CH的变化4从化石燃料排放量在2020年,农业和浪费部门。为此,我们结合国家温室气体清单(NGHGIs)提交给联合国(UN)气候变化框架公约(UNFCCC)附件i国家和全球大气研究排放数据库更新(埃德加)v6.0库存21有新活动来自国际能源机构的数据22和粮食及农业组织(粮农组织)23联合国的其他国家(见方法)。类别的化石燃料的开采活动,全球煤炭产量下降了4.6%在2020年与2019年相比,全球石油产量和天然气产量下降了7.9%和3.8%,分别22。我们推断减少CH4石油和天然气排放(−3.1 Tg CH4年−1从煤矿(−1.3)和Tg CH4年−1)。在农业领域,根据粮农组织全球水稻种植面积略有增加231% (+ 0.5 Tg CH4年−1),增加牲畜股票和屠宰数量报告(+ 1.6 Tg CH4年−1)。统计数据尚未公布non-Annex-I废部门的国家,所以我们使用了线性趋势从2014 - 2018年埃德加v6.0项目小的全球增长+ 1.0 Tg CH4年−12020年与2019年相比。总之,人为CH42020年排放量下降了1.2±0.1 Tg CH4年−1(以下简称±标准差)(扩展数据图。2),它只在稳定状态将导致一个十亿分之0.4±0.0年−1减少大气中的增长相对于2019年,转换因子的基础上2.75 Tg CH4磅的−1(ref。24)。这表明观察下异常十亿分之5.2±0.7年−12020年与2019年相比(十亿分之15.1±0.4年−1下2020年相对于十亿分之9.9±0.6年−12019年的经理)必须归因于自然排放的变化和/或哦。

然后我们估计生物和火CH4排放从2020年的自底向上的模型。比正常的北部和2020年是湿润热带地区(补充图。2在欧亚大陆北部),非常温暖从早春到夏末25(扩展数据图。3)。火火两个卫星发射数据,全球同化系统(gfa)和全球火灾排放数据库(GFED4.1s),一直显示,2020年全球火灾排放降低了6.5±0.1 Tg CH4年−1比2019年(扩展数据图。4)。南部热带地区(30°S-0°)主导2020年火减少排放在两种数据集,虽然在美国有更少的火灾在今年上半年,但更在今年下半年26。联合会的数据显示,东西伯利亚有更高的火排放量与2019年相比,2020年0.4 Tg CH4年−1。这种异常现象与该地区的热浪(扩展数据图。3)25,提出的火灾季节两个月和2020年5月份开始27。在全球范围内,火排放似乎已经放弃了在2020年与2019年相比,这意味着其他进程必须解释2020年大积极下异常。

我们发现大多数世界湿地地区暴露在温暖和湿润的条件比正常年份(图2020年。2和扩展数据图。3)。北部湿地被暴露于温度(+ 0.43 - -0.58°C)相对于2019年,是图所示。2(补充表1)。降水对全球湿地28有2 - 11%的年度增长相对于2019年,主要在北部高纬度地区和热带地区(补充表吗1)。与降水增加,扩大湿地面积和促进排放预计更浅的水位。此外,土壤解冻,后来土壤冻结在2020年早些时候导致更长的高北部湿地排放季节(补充图。3增加的排放),可能在永久冻土和热岩溶湖泊。量化湿地排放从2000年到2020年,我们使用了两个基于流程的湿地排放模型(电话)迫于不同气候数据集(见方法)。这些模型表明,湿地排放显著和积极与热带地区降水(30°S-30°N)29日和南部extra-tropics (90°S-30°S)和北部与温度和降水湿地(30°N - 90°N)(图2)。温暖和湿润的湿地在北半球2020(补充表1Tg CH)排放增加了6.0±2.54年−1相对于2019年,主导全球湿地排放的净增加(6.0±2.3 Tg CH4年−1)2020年(扩展数据图。5)。传播我们的估计主要是由于不同的湿地相关的降水差异迫使(补充图。2),部分原因是模型结构,虽然这两个模型在参数化的相似之处。与降水增加4%的湿地多源Weighted-Ensemble降水(MSWEP)降水场,合并计,卫星,并获得准确的降水估计再分析数据30.,31日,湿地排放增加了5.8±1.5 Tg CH4年−1。从全球土地使用根区土壤水分蒸发模型(线)v3.5a阿姆斯特丹32作为一个代理来计算湿地地区2020年的扩张方法),我们发现了一个更大的湿地排放增加7.4 - -9.3 Tg CH4年−1,主要在北半球(扩展数据图。5)。观察液态水土地质量的变化GRACE-FO卫星33确认湿地蓄水增加在北半球。在湿地土壤水分的增加在北半球模拟两电话小于液体从GRACE-FO质量变化观察,尤其是以北30°N(补充无花果。4和5),这表明北半球湿地的扩张或地下水位范围内的排放量在2020年通过的电话可能被低估。总的来说,湿地排放做出了主要的贡献很可能是到2020年,大气中甲烷含量飙升虽然有不确定性关于贡献的大小,主要是由于降水数据的不确定性。

图2:湿地甲烷排放和四个纬度带温度和降水期间2000 - 2020。
图2

一个- - - - - -d黑色线条显示,平均湿地的异常排放模拟与四个气候迫使两个电话。温度异常的湿地,从CRU TSv4.05 ERA5 MERRA2,和降水异常湿地,从这三个数据集和MSWEP,分别是红色和蓝色所示。阴影区域显示12模拟湿地排放的标准偏差(八从LPJ-wsl ORCHIDEE-MICT和四个,看到方法)。湿地排放之间的相关系数和温度(红色)和降水(蓝色)也标志着在每个面板的左上角,与* * *P< 0.001,* *P< 0.01和ns不显著。垂直虚线标志着2019年备查。

源数据

全尺寸图像

根据我们的自底向上的估计,增加湿地排放(6.0±2.3 Tg CH4年−1)并不能完全解释甲烷排放的增加(14.4±2.0 Tg CH4年−1从下异常)推断(十亿分之5.2±0.7年−1)在2020年和2019年之间的假设下水槽保持不变。考虑减少人为排放1.2 Tg CH4年−1和火的排放6.5 Tg CH4年−1,即使我们最大的估计湿地排放(9.4 Tg CH4年−1),自下而上的预算还没有关闭,揭示失踪源异常超过12.7 Tg CH4年−1,必须归功于减少大气CH4水槽,额外的来源如湖泊或冻土extra-wetland排放所错过的电话。

2020年大气约束

湿地温室气体排放的增加主要是位于北半球,而火排放的减少主要是在热带地区南部,所以我们希望经理在北半球应该高于下在南半球。事实上,纬向平均增长率的甲烷从表面观察网站证实,北半球有较高的增长率比2020年南半球(补充图。6)。损失数据,提供一个经理集成在整个列,因此深度的变化不太敏感的边界层在大陆电视台,也显示类似的纬度的模式从表面数据网站,与峰值列增长率在10°N-50°N(补充图。7)。

量化的空间和时间分布排放从2020年的大气观测异常,我们使用一个三维(3 d)大气逆温吸收表面CH4观察103台(见方法)。反演的优势自底向上方法来匹配所有电台之间观察到经理和梯度。我们进行了3 datmospheric反演(发票)规定哦浓度场的变化,由一个完整的模拟化学传输模式(LMDZ-INCA)34,35与现实的公司、碳氢化合物和不x人为排放来自网格近实时数据,包括化石燃料燃烧lockdown-induced减少202036,37。化学传输模式是由从ECMWF ERA5气象数据38并从GFED4.1s生物质燃烧排放15。图3显示没有减少x排放量2020相对于2019年的6%,这在春天尤为明显(3月、4月和5月)当COVID-19封锁措施强加在许多北半球国家(扩展数据图。6)。在全球没有减少x排放在2020年相对于2019年的七倍下降趋势从2005年到2019年(补充无花果。8和9)。全球没有x排放和采用卫星对流层2从臭氧浓度监测仪)2020年期间最低2005 - 2020(补充图。9)。我们的化学运输模型LMDZ-INCA产生了全球平均每年减少1.6%的对流层哦浓度在2020年相对于2019年。减少每月的对流层哦4月份高达6%,5月和6月(无花果。3 d)在北半球(0°-60°N;扩展的数据图。7),这表明没有下降x2020年排放outweighedthe减少人为的影响和火CO排放(补充图。10),使低哦。独立核实这模仿降低2020年全球哦,我们使用12-box模型推断的变化哦9,39通过同时优化哦的排放浓度和两个氢氟烃和一个结束前物种(结束- 141 b, HFC-32和HFC - 134 a)使用大气观测这三个物种的NOAA和AGAGE网络包括2020年的最新数据。哦的诊断是基于错误的前提前三个之间应该很大程度上独立气体排放,但错误哦,将对所有人(见相关方法)。盒子模型显示净减少哦后1.6 - -1.8% 2020年相对于2019年的优化。这个估计2020年哦减少是独立的,与完整的化学模型模拟一致。

图3:没有异常x排放和对流层氢氧自由基(OH)在2020年相对于2019年。
图3

一个,c、空间的模式x排放异常(ΔNOx排放;一个)噢,异常(ΔOH;c)在2020年相对于2019年。b,d,每月全球没有差异x排放(b每月对流层哦),(d2020年和2019年之间)。无x排放数据是来自社区的排放数据系统的数据集36。

源数据

全尺寸图像

规定的减少哦从化学传输模型及其空间格局,发票给全球增加6.9±2.1 Tg CH4年−1表面排放和减少7.5±0.8 Tg CH4年−1较弱的大气CH4下沉。考虑的不确定性减少的哦,观察下12表面增加,全球排放和减少大气CH4分别沉了47±16%和53±10%的总积极下2020年相对于2019年异常(图4)。表面排放的全球增长分解为北半球的增加14.3 Tg CH4年−1在南半球,部分抵消了减少7.4 Tg CH4年−1(无花果。4)。发射的空间格局异常产生的发票确认加强排放在北美洲北部、西伯利亚和西部和东部暗示通过自底向上的湿地模型。在北半球,我们最大的自底向上的估计湿地温室气体排放的增加(11.2 Tg CH4年−1),然而,小于发票的解决方案。这表明,湿地模型低估了排放,可能是因为低估了土壤含水量(见上图),太深的水位,错过了小排放的湿地和/或其他来源的空间配置与湖和池塘等北部湿地排放40,水产养殖排放41和永久冻土融化衰退排放42。过去的二十年里最大的温度异常也的确发现在冻土地区2020年,尤其是在俄罗斯(扩展数据图。3和补充图。11),它可以增加旱地冻土土壤甲烷排放量43和湖泊,包括热岩溶湖泊44。估计排放湖泊的变化(包括水库)和冻土显示这两个来源有限的贡献(< 0.1 Tg CH4年−1)来填补这一缺口排放变化之间的自底向上和自顶向下的方法,虽然有大量的不确定性(补充信息)。我们注意到,由于稀疏大气网络在亚洲中部和南部,中东、非洲和南美洲热带(补充图。12),推断通量,因此通量变化在这些地区可能有很大的不确定性。评估对独立的观测显示,发射的变化在大纬度的乐队或半球尺度强劲受限(补充无花果。13- - - - - -18)。此外,扩展我们的3 d反转和分析2015 - 2020年期间也显示类似的归因下2020年异常(补充图。19)。

图4:甲烷排放和水槽异常在2020年相对于2019年。
图4

一个甲烷排放异常的四个纬度的乐队来自大气三维反演与LMDZ-INCA哦场模拟(发票)、湿地排放异常从两个电话,火从GFED4.1s排放异常和联合会,人为(人类学)排放异常。黑点显示全球CH的净变化4排放在2020年和2019年之间。水槽异常由1.6±0.2%减少计算在发票哦。观察到下异常(14.4±2.0 Tg CH4年−1)从表面网站之间的差异下的定义是2020(十亿分之15.1±0.4年−1)和2019年(十亿分之9.9±0.6年−1)的转换因子2.75 Tg CH4磅的−1。误差线代表一个标准差。b从自上而下的发票、空间模式排放异常。c空间分布的贡献来源(湿地、火和人为)排放量的变化来自自下而上的估计。d、空间模式的排放异常自下而上估算包括湿地、火和人为排放。

源数据

全尺寸图像

总之,我们的结果表明,增加湿地排放,由于在湿地温暖和湿润的条件,以及减少哦,导致了在2020年飙升的甲烷浓度。大2020年积极下异常,部分原因是湿地和其他自然排放,提醒我们,这些排放气候年际变化的敏感性已恢复增长的一个关键的角色自2006年以来,甲烷在大气中。湿地methane-climate反馈了解甚少,本研究显示了一个高灵敏度年际未来耦合CH应该提供一个基准4emissions-climate模型。我们还表明,减少大气中的CH4下沉,导致减少对流层哦,由于没有少x排放在封锁期间,造成53±2020年相对于2019年10%的经理异常。因此,空前高甲烷2020年增长率是一个复合事件减少大气CH4水槽和北半球天然来源的增加。2021年电视台发射复苏水平,可能会有更少的减少哦。2021年持续的高经理异常暗示机制,不同于那些负责2020年,因此等待一个解释。我们的研究强调,未来的改善空气质量,减少了没有x可能增加排放大气中甲烷的一生5,因此需要更多减少甲烷排放达到巴黎协定的目标。

方法

大气中的甲烷增长率(下)

我们使用了月度时间序列的全球海洋表面平均大气甲烷浓度覆盖1983年7月- 2020年12月从NOAA全球监测实验室(NOAA / GML)12,45。大气中的甲烷的季节性周期后被CCGvu计划46,平滑的年度经理图所示。1下为每个特定的月计算(例如,3月1日在明年的3月1日)。一年一度的下一年的增加其丰度(摩尔分数)从当年1月1日到明年的1月1日12。下异常2020年相对于2019年被定义为之间的差异下2020(十亿分之15.1±0.4年−1)和2019年(十亿分之9.9±0.6年−1)。

人为甲烷排放

附件一所列国家报告了他们的国家温室气体清单(NGHGIs)《联合国气候变化框架公约》和更新到2020年,我们使用了报道人为排放(煤炭、石油和天然气、农业和废物)的41个国家(https://unfccc.int/ghg-inventories-annex-i-parties/2022)。对于其他国家,煤炭开采排放,石油和天然气生产、农业和埃德加从2000年到2018年来自v6.0浪费21。我们从国际能源机构收集活动数据更新22和粮农组织232019年和2020年,使用相同的排放因素2018年从埃德加v6.0估计甲烷排放量煤矿,石油和天然气生产和农业资源在2019年和2020年。对于石油和天然气生产和燃烧,我们收集了来自国际能源机构的数据22。对于煤炭生产,我们收集了煤炭生产来自国际能源机构的数据22并纠正中国的生产使用的数据对中国统计年鉴47。对农业活动数据,我们使用牲畜从粮农组织和水稻种植区域的数据23。浪费活动数据尚未公布的这些国家,我们使用的线性趋势废部门从2014 - 2018年埃德加v6.0项目2020年相对于2019年的变化。

火全球甲烷排放

全球火灾排放数据库版本4.1包括小火燃烧区(GFED4.1s)15和全球火灾同化系统(gfahttps://atmosphere.copernicus.eu/global-fire-monitoring从哥白尼大气监测服务(凸轮)是用来获得月度全球甲烷排放。GFED4.1s结合卫星信息每月消防活动和植被生产力估计网格区和火焚烧排放,和的空间分辨率为0.25°×0.25°(ref。15)。注意,GFED4.1s火排放在2017年和2020年从beta版本。gfa吸收火焰辐射功率(FRP)观测卫星每天生产生物质燃烧排放的估算。我们聚合gfa每日消防排放到每月的排放。

湿地CH4排放模拟模型

我们使用了两个基于流程的电话模拟全球湿地CH4排放:ORCHIDEE-MICT48和LPJ-wsl4。这两个电话模拟甲烷生产和运输通过扩散到大气中,沸腾和植物运输基于先前发表的框架49。估计的不确定性的改变湿地温室气体排放在2020年,四个气候强迫数据集被用来驱动两个电话。首先,我们下载两个气候再分析数据集:每小时ERA5空间分辨率为0.25°×0.25°从1979年到2020年38和每小时MERRA2空间分辨率为0.5°×0.625°从1980年到2020年50。我们这两个再分析数据集重新取样(气温、降水、湿度、下行短波和长波辐射,表面空气压力和风速)到1°×1°和0.5°×0.5°决议开车ORCHIDEE-MICT LPJ-wsl,分别。这些不同的气候数据集2020年降水的变化差异很大(补充图。2),所以我们也使用每月从CRU TS v4.05温度和降水数据51并从MSWEP v2.8月降水30.,31日校准ERA5气候强迫。CRU的数据,我们添加了月度温度之间的差异CRU ERA5到每小时ERA5温度场、和CRU之间按比例缩小的月降水量的比例和ERA5每小时ERA5降水从1979年到2020年。这些扩展数据,和其他不变ERA5字段,用来驱动模型。MSWEP降水数据,我们只按比例缩小的月降水之间的比率MSWEP ERA5到每小时ERA5降水,而这些数据连同其他ERA5字段是用来驱动模型。湿地动态模拟的TOPMODEL-based诊断模型,成功地预测自然湿地的空间分布和季节性区段(由ORCHIDEE-MICT动力学52和动力学LPJ-wsl53前面描述的)。ORCHIDEE-MICT湿地动态模拟,两个湿地地图是用来校准参数,一个是经常淹没湿地静态地图(RFW)28记录用于校准的长期最大湿地面积长期最大湿地程度对于每个网格单元,另一个是基于卫星的全球产品泛滥GIEMS-2(全球洪水估计从多个卫星版本2)54用于校准每年为每个网格单元最大湿地范围。湿地动态的细节和参数校正可以在早期作品中找到52,55。ORCHIDEE-MICT因此,湿地排放模拟,我们得到两套湿地动态为每个气候迫使:总的来说,八个模拟四个气候强迫和两套RFW和GIEMS2校准参数。此外,我们还利用每月的根区土壤水分从线v3.5a产品32TOPMODEL计算湿地动态,和湿地排放密度每湿地面积从ORCHIDEE-MICT + ERA5气候迫使我们得到一个额外的估计湿地温室气体排放在2020年的变化。

AGAGE 12-box模型和反演

这个模型有四个相等的区域框在纬度方向(90°N-30°N, 30°N-0°、-30°年代0°,30°- 90°年代)和三盒对流层垂直代表上下,和平流层,已被广泛用于大气化学和终身学习39,56,57。框之间的水平和垂直混合利率提供月度和基于经验值的气候学。该模型集成在为期两天的时间使用四阶矢量化龙格-库塔算法的步骤。大气化学计算在每个时间步使用阿仑尼乌斯方程,包括哦反应。大气反演进行使用的伴随AGAGE 12-box模型和拟牛顿算法找到最佳线性无偏估计(详情见以前的工作)9。

哦,每年被同时优化求解标量哦浓度和每月的排放两种氢氟烃(HFC - 134 a和HFC-32)和结束- 141 b的基础前提错误在之前的排放这些物种可能不是强烈相关,而错误的影响在之前哦这三个物种的大气浓度将完全相关。三个物种的选择,因为他们都是主要是失去了通过氧化哦,生存期相对较短的大气(14、5.4和9.4年hfc - 134 a, HFC-32和结束- 141 b),有大量的排放在过去的十年58。观察使用NOAA GML的离散采样网络,全球有12个站点观测不确定性0.2 ppt, 0.2 ppt和0.1 ppt的平均浓度四个纬度的盒子hfc - 134 a,分别HFC-32和结束- 141 b。之前的排放hfc - 134 a和HFC-32是基于《联合国气候变化框架公约》的报告和发布数据59对中国与季节性基于ref。60。之前的排放结束- 141 b来自裁判。58。不确定性的两个氢氟烃物种是基于先前的估计59和结束- 141 b 50%是假设的不确定性。从哥白尼之前哦浓度得到EAC4再分析产品61年。上述前发射的不确定性和10%之前不确定性哦浓度,减少哦2020年相对于2019年1.8%,和后的不确定性哦不确定性与之前相比下降了55%。我们跑另一个使用10%之前不确定性的敏感性测试哦,25%的不确定性之前排放的物种,并发现了一个在2020年降低1.6%哦。额外的敏感性测试运行使用浓度5%之前不确定哦,虽然它是过于乐观,我们发现在2020年降低0.6%哦。逆变级的变化哦部分依赖于之前的不确定性和F气体,但仍然提供了哦,改变从独立F-gases观测信号。后的不确定性哦,估计1标准偏差(1σ)从100年蒙特卡洛合奏反演结果,用随机错误之前添加到排放和观察的每个成员。

哦LMDZ-INCA浓度模拟从一个完整的化学运输模型

全球网格哦浓度被完整的化学运输模型LMDZ-INCA模拟34,35。人为排放来自社区排放数据系统(ced)排放清单201936的基础上,进一步更新到2020行业有限公司2碳排放变化估计班长37以反映COVID-19对排放的影响变化。排放数据显示下降,在人为的排放没有反弹x,关键的前兆哦,期间和之后的COVID-19锁定在世界各地,广泛的与不同的自下而上和自上而下的估计一致17,62年,63年。基线的模拟,每一年,我们使用了每月的人为排放编译之前64年。这些排放包括不同行业:能源、工业、住宅、交通和浪费。农业土壤排放没有x和NH3还包括,没有自然土壤排放添加补充这些排放。从GFED4.1s生物质燃烧排放15。ORCHIDEE植被模型是用来计算离线异戊二烯的生物表面通量,萜烯、丙酮和甲醇如前所述65年。自然排放的粉尘和海盐计算使用的十米级风组件从ECMWF ERA5再分析。没有闪电x排放参数化模型的基础上对流云山庄作为早期作品中描述66年。这个参数化的基础上,总闪电x排放基线模拟5.5 Tg N年−1。气象领域用于驱动LMDZ-INCA模型模拟来自ECMWF ERA5再分析数据集38。我们LMDZ-INCA模拟再现的月度变化mid-troposphere对流层臭氧和没有2列在过去十年2020(补充无花果。20.和21)。鉴于臭氧和没有x有重要的作用在哦的源和汇,我们LMDZ-INCA模拟与观测值的协议表明,模拟的代表全球大气化学状态的变化包括哦。

大气三维反演

PYVAR-LMDZ-SACS变分贝叶斯反演系统,是用来推断每周CH4通量的空间分辨率1.9°(纬度)3.75°(经度)在2018年7月和2021年5月之间。系统结合变分资料同化系统Python变分(PYVAR)67年、大气传输模型Laboratoire de Meteorologie Dynamique具有缩放功能(LMDZ)68年,一个简化的大气化学系统(囊)69年。它被广泛应用于优化无功源和汇大气示踪剂如CH4和有限公司11,70年,71年,72年,73年,并导致全球CH的自上而下的反演4预算74年,75年。从技术上讲,反演系统发现的最佳状态向量统计最适合观察y和之前的状态向量xb由各自的不确定性(定义为加权协方差矩阵B和R),通过迭代的最小化代价函数J定义如下:

$ $ J ({\ bf {x}}) = {0.5 ({\ bf {x}} - {{\ bf {x}}} ^ {{\ rm {b}}})} ^ {{\ rm {T}}} {b} ^ {1} ({\ bf {x}} - {{\ bf {x}}} ^ {{\ rm {b}}}) + {0.5 (H ({\ bf {x}}) - {\ bf {y}})} ^ {{\ rm {T}}} {R} ^ {1} (H ({\ bf {x}}) - {\ bf {y}}) $ $
(1)

在哪里x包含变量的状态向量是优化,包括(1)时间序列grid-point-based为期八天的平均地表排放通量的CH4,(2)grid-point-based缩放因子的初始浓度column-mean CH4。H代表运营商观测项目的状态向量观测空间,和包括chemistry-transport模型(CTM)加上卷积操作。在这里,中医是LMDZ组成的大气传输模型68年再加上囊模块69年占CH的化学相互作用4和哦。运输模型从ERA5朝重新进行水平风场,并在离线模式下运行预先计算的三个小时运输质量通量。最小化代价函数的迭代,直到解决降低99%的成本函数的梯度。

前CH4通量是编译为不同行业从现有的自底向上的库存。补充表中给出的详细信息2。排放清单的数据集包含最近的发展和当前的理解各种CH4源和汇,并因此提出了使用自顶向下的先验CH4反演为下一阶段的全球甲烷预算评估。哦,O (1D)字段是从化学气候模型的模型输出规定LMDZ-INCA与一个完整的对流层光化学方案34,76年(见方法部分‘哦浓度模拟从一个完整的化学运输模型LMDZ-INCA”)。(之前错误的定义B矩阵)此前的计划11,70年,71年网格CH,即70%4排放。

对CH的观察4浓度从地面获得温室气体监测网络。观察设置的限制,表面原位和flask-air CH4观察的103个车站被同化,包括71个车站的记录一直延伸到2020年末或2021年初,主要来自NOAA和这个理事会网络(补充图。12)。所有这些观察报告,或与WMOX2004校准。对连续的CH4测量,每天下午(12:00-16:00手段低水位体系域;低水位体系域,当地的恒星时)被同化站点海拔低于1000米(a.s.l)和早上意味着(0:00-4:00低水位体系域这些超过1000 m a.s.l)。,owing to uncertainties in the model’s representation of boundary layer mixing and complex terrain mesoscale circulations77年,78年。(观察错误R矩阵)结合测量错误,表示错误和运输模型的错误,导致model-observation不适应。表面CH4观察,每个车站的天气变化是用作表示错误和运输代理模型错误70年,71年,并计算剩余标准差(RSD) de-trended de-seasonalized观测。对哦派生排放异常变化的影响,我们采取了哦场模拟一个完整的化学运输模型LMDZ-INCA(见方法部分‘哦浓度模拟从一个完整的化学运输模型LMDZ-INCA”)。注意,以确保从LMDZ-INCA哦变化的假设,哦字段没有调整三维反演。

来验证我们的3 d CH的鲁棒性4反演中,我们比较了前和后模型州独立观察从多个平台(补充图。13),包括交换4观测的总碳列观察网络(TCCON;补充无花果。14和15)和CH4垂直剖面对飞机抽样(补充图。16)和AirCore活动(补充无花果。17和18)。评价证明了分离的整体性能良好的三维反演纬度的排放和代表大规模大气混合(横向和纵向)。交换的低估4增加北部TCCON网站(补充无花果。14和15),以及偏见在垂直的CH4在北部处于低度到中度纬度差异(补充图。16),可能会建议在北半球通量反演的不确定性,包括那些有关稀疏数据覆盖(补充图所示。12对于某些地区)和固有的传输模型错误(例如,偏见在代表平流层过程)目前尚未解决的社会模型。

报告总结

进一步研究信息设计是可用的自然投资组合报告总结与这篇文章有关。