未来氢经济中甲烷排放轨迹对大气成分与气候影响的化学耦合机制研究

《Earth's Future》：Impact of Future Methane Emission Trajectories on Atmospheric Composition and Climate in a Future Hydrogen Economy

本文通过GFDL AM4.1大气化学-气候模型，首次在排放驱动模式下系统模拟了未来氢经济中氢气（H2）与甲烷（CH4）的化学耦合效应。研究发现，虽然H2排放对大气成分的影响受背景CH4排放水平调控，但其气候增温效应（通过全球增温潜能GWP100≈12评估）具有背景独立性。研究进一步揭示，雄心勃勃的CH4减排（45%人为排放）不仅能抵消高端情景下H2排放量增加480%引发的增温效应，还可逆转其对大气成分的负面影响。当考虑氢经济替代化石燃料带来的臭氧前体物与气溶胶协同减排时，CH4减排对最大化气候与空气质量效益的关键作用更为凸显。

　　

1 引言

氢能（H₂）作为零碳燃料在能源系统脱碳中扮演重要角色，但其供应链可能产生逃逸排放。虽然H₂本身并非温室气体，却能与大气中主要氧化剂羟基自由基（OH）发生反应，通过延长甲烷（CH₄）寿命、增加平流层水汽（H₂O）和对流层臭氧（O₃）等途径间接影响气候。最新研究显示，H₂的100年全球增温潜能（GWP₁₀₀）约为12，20年尺度（GWP_{204排放量减少30%的目标。H2与CH4在化学行为上存在显著相似性：二者均与OH反应（分别占其沉降途径的20%和90%），共同影响O3生成，且大气寿命较短（H2约2.6年，CH4约9.8年）。氢经济的推进还将伴随短寿命气候因子（SLCFs）排放变化，包括氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）、非甲烷挥发性有机物（NMVOCs）等臭氧前体物，以及二氧化硫（SO2）、黑碳（BC）等气溶胶物种。以往研究多采用固定浓度边界条件或简化化学方案，而本研究首次利用GFDL AM4.1模型实现H2与CH4排放的双向驱动，全面捕捉其化学反馈机制。}

2 材料与方法

研究采用GFDL AM4.1大气化学-气候模型（CCM），在固定海表温度（SST）和海冰（SI）条件下进行2014年基准情景的时间切片模拟。关键创新在于将H₂（遵循Paulot等2021年清单）和CH₄（采用He等2020年优化清单）设置为排放驱动模式，替代传统的浓度边界条件。模型包含完整的对流层-平流层化学过程，其中H₂约80%通过土壤沉降去除，20%与OH反应（H₂ + OH → H + H₂O）；CH₄则主要经OH氧化（CH₄ + OH → CH₃ + H₂O）生成甲醛（HCHO），后续光解可产生H₂。实验设计涵盖CH₄排放增减（±45%人为排放的"HiCH₄"/"LoCH₄"情景）和H₂排放梯度（1%泄漏率的"LoH₂"至10%泄漏率的"HiH₂"情景），并设置协同减排情景（"O3prec"和"Allprec"）模拟氢经济替代化石燃料带来的臭氧前体物与气溶胶排放变化。气候效应通过有效辐射强迫（ERF）和全球增温潜能（GWP）量化，其中ERF采用双面部分辐射扰动（PRP）方法分解各组分贡献。

3 结果：H₂与CH₄相互作用

3.1 化学组成

全球平均分析表明，CH₄排放增加29%（"HiCH₄"）导致OH浓度下降10%，CH₄表面浓度上升41%（体现其自反馈效应），对流层O₃负荷增加4.3%。当引入H₂排放（"HiH₂"）后，其与CH₄竞争OH的反应进一步放大这些变化：在"Base"CH₄背景下，H₂排放增加476%可使OH降低2.1%，CH₄浓度升高1.8%。值得注意的是，H₂对大气成分的影响呈现背景依赖性：在低CH₄排放情景（"ZeroCH₄"）下，相同H₂增量引发的OH降幅（-2.7%）显著高于高CH₄背景（"HiCH₄"下为-1.5%）。气溶胶响应方面，CH₄增加通过降低OH减少硫酸盐（SO₄^2-）气溶胶生成，但同时促进过氧化氢（H₂O₂）液相氧化路径，净效应使SO₄^2-负荷增加0.07 kg/(Tg CH₄/yr)。H₂排放对BC负荷的影响则相对稳定（约0.003 Tg/(Tg H₂/yr)）。

3.2 有效辐射强迫（ERF）

在基准CH₄排放下，H₂排放增加476%产生0.13±0.02 W/m2的ERF，对应气候效能为0.44 K/(W/m2)，长期升温约0.057 K。ERF分解显示：CH₄强迫贡献（0.08 W/m2）主要来自其浓度增加的瞬时辐射强迫（IRF），而平流层O₃变化产生负强迫（-0.01 W/m2），因其在高空增温效应转为冷却；快速调整项（如平流层降温）贡献正强迫（0.04 W/m2），气溶胶直接效应与云辐射效应则基本抵消。关键发现在于，H₂的ERF在不同CH₄背景下保持稳定（"ZeroCH₄"至"HiCH₄"情景下均为0.12-0.14 W/m2），这源于GHG-IRF与快速调整项的互补性变化。当CH₄排放降低时，H₂引发的对流层O₃强迫增强，但CH₄本身强迫因光谱重叠效应减弱而下降，使总强迫维持平衡。据此计算的GWP₁₀₀为11.6±5.3（离线ERF）或9.3±4.3（模型ERF），与多模型均值（12±5）一致，且不受背景CH₄水平影响。

4 结果：前体物与气溶胶排放变化的影响

在"LoCH₄HiH₂"基础上引入臭氧前体物减排（"O3prec"情景：NO_x -12%, CO -29%, NMVOCs -9%），因NO_x减少主导的OH下降（-0.5%），反而使CH₄浓度上升0.3%，对流层O₃负荷增加0.6 Tg。当进一步叠加气溶胶减排（"Allprec"情景：SO₂ -29%, BC -41%），气溶胶光学厚度降低引发光解速率上升，OH回升0.3%，部分抵消前述效应。净气候影响方面，"Allprec"情景的ERF为-0.38±0.03 W/m2，虽较"LoCH₄HiH₂"（-0.42 W/m2）有所收窄，但仍显著优于单纯H₂排放增加（"HiH₂"为+0.13 W/m2），证明CH₄减排在协同路径中仍起主导作用。

5 讨论与结论

本研究揭示氢经济中H₂排放的气候与成分效应高度依赖CH₄排放路径。虽然H₂的GWP₁₀₀具有背景稳定性，但其对OH消耗、O₃生成等化学过程的影响随CH₄水平动态变化。重要的是，45%的CH₄减排不仅能完全抵消极端H₂泄漏（10%速率）的增温效应，还可逆转其对大气氧化能力与空气质量的负面影响。当考虑氢经济带来的协同减排效益时，CH₄控制仍是确保净正环境收益的关键。未来需进一步量化土壤沉降（当前模型设为恒定）的气候响应不确定性，并通过全耦合模型验证温度反馈机制。政策制定应优先最小化H₂泄漏，同时强化CH₄减排以最大化氢经济的气候红利。