GCB：基于二氧化碳衛(wèi)星觀測的中國陸地碳匯估算：進(jìn)展與挑戰(zhàn)

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯是中國實現(xiàn)碳中和的重要支撐。厘清中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯的大小和分布對于實現(xiàn)碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)具有重要意義。大氣反演法是基于大氣CO2濃度觀測與大氣傳輸模型，并結(jié)合人為源CO2排放清單，評估陸地碳匯的一種重要手段。目前，我國高標(biāo)準(zhǔn)的地面CO2觀測站點較稀疏，是大氣反演中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支的瓶頸。正在蓬勃發(fā)展的衛(wèi)星遙感技術(shù)可以通過衛(wèi)星平臺獲得大氣CO2柱濃度數(shù)據(jù)，相較于地面站點觀測，衛(wèi)星遙感觀測的空間覆蓋率更高，填補了地面觀測數(shù)據(jù)的空缺。

 

中國科學(xué)院青藏高原研究所生態(tài)系統(tǒng)功能與全球變化團隊及合作者系統(tǒng)回顧了專用于大氣CO2柱濃度監(jiān)測的科學(xué)實驗衛(wèi)星的發(fā)展歷史。從衛(wèi)星平臺、遙感數(shù)據(jù)處理和大氣反演三個方面，總結(jié)了衛(wèi)星遙感CO2的觀測現(xiàn)狀和對中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支評估的作用，提出未來需要加強研究的問題和方向。

 

目前，國際上在軌的主要大氣CO2科學(xué)實驗衛(wèi)星通過被動采集經(jīng)大氣和地表反射的短波紅外光譜信息，計算大氣CO2柱濃度。自2002年，第一個搭載短波紅外光譜傳感器SCIMACHY的衛(wèi)星問世以來，日本、美國、中國都相繼發(fā)射了自己的大氣CO2柱濃度監(jiān)測衛(wèi)星。隨著衛(wèi)星和傳感器技術(shù)進(jìn)步，觀測的準(zhǔn)度和精度不斷提高，覆蓋范圍不斷提升。然而，目前在軌的CO2衛(wèi)星的每月有效觀測覆蓋范圍仍不及全球地表面積的2%。我國于2022年4月發(fā)射的大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星“大氣一號”，是全球首個利用激光雷達(dá)探測大氣CO2濃度的衛(wèi)星，可以將傳統(tǒng)的衛(wèi)星大氣CO2觀測擴展到夜間，并且通過激光雷達(dá)有效減小云和氣溶膠對大氣CO2遙感觀測的影響。

 

大氣CO2衛(wèi)星獲得的光譜需通過大氣輻射傳輸模型，運用特定算法解譯成大氣CO2柱濃度，被稱為衛(wèi)星遙感反演。其產(chǎn)品的精度取決于傳感器自身性質(zhì)、對相應(yīng)氣體理化性質(zhì)的認(rèn)識、對云和氣溶膠的處理等多個因素。如OCO-2的ACOS衛(wèi)星遙感反演算法在改進(jìn)了O2-A帶的氣體吸收截面參數(shù)后，提高對空氣質(zhì)量的估算誤差，提高柱CO2濃度的反演精度；考慮平流層氣溶膠吸收光線后，顯著提高南半球CO2柱濃度的反演精度。

 

利用CO2衛(wèi)星觀測和衛(wèi)星遙感反演算法獲得的大氣CO2柱濃度，結(jié)合大氣傳輸模型和大氣反演算法，可用于評估陸地碳匯。該研究收集并分析了10個中國陸地碳匯的大氣反演結(jié)果，相關(guān)研究均利用OCO-2衛(wèi)星觀測和衛(wèi)星遙感反演算法ACOS解譯獲得的CO2柱濃度數(shù)據(jù)。研究結(jié)果表明，不同大氣反演研究得到的中國陸地碳匯存在很大差異。其中，大氣反演中采取的大氣傳輸模型對反演結(jié)果有較大影響。例如，采用GEOS-Chem模型時，大氣反演結(jié)果會顯著高于采用其他大氣傳輸模型的反演結(jié)果。此外，不同大氣反演研究獲得的中國陸地碳匯的空間分布也存在顯著差異。

 

 

圖1 不同大氣反演獲得中國陸地碳匯大小及空間分布

 

研究人員認(rèn)為，未來基于CO2衛(wèi)星觀測的中國陸地碳匯估算，需要在衛(wèi)星設(shè)計、衛(wèi)星和地面協(xié)同觀測、衛(wèi)星遙感反演算法、大氣反演算法等多方面開展工作。多個國家和機構(gòu)已計劃發(fā)射具有更高觀測準(zhǔn)度和精度，更大覆蓋范圍的CO2衛(wèi)星，結(jié)合地面觀測站點，提高監(jiān)測大氣CO2濃度的能力；衛(wèi)星遙感反演算法需要向快速化、智能化發(fā)展，適應(yīng)未來快速處理更多衛(wèi)星、更龐大數(shù)據(jù)量、更高準(zhǔn)度和精度的需求；大氣反演需要運用更高分辨率、更可靠的大氣傳輸模型，研發(fā)更先進(jìn)的大氣反演技術(shù)，提供更準(zhǔn)確的陸地碳匯估算結(jié)國際合作，逐漸形成一套完備的“自上而下”的區(qū)域陸地碳匯監(jiān)測系統(tǒng)。

 

 

圖2 基于CO2衛(wèi)星觀測的中國陸地碳匯估算的發(fā)展方向

 

上述研究成果近期以“Constraining Chinas land carbon sink from emerging satellite CO2 observations: Progress and challenges”為題，發(fā)表于《Global Change Biology》，中科院青藏高原研究所汪宜龍副研究員為第一作者和通訊作者。研究獲得第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究（2019QZKK0208），國家自然科學(xué)基金項目（42001104、42101090）等資助。

 

論文信息及鏈接：

 

Wang, Y., Tian, X., Chevallier, F., Johnson, M. S., Philip, S., Baker, D. F., Schuh, A. E., Deng, F., Zhang, X., Zhang, L., Zhu, D., & Wang, X. (2022). Constraining China’s land carbon sink from emerging satellite CO2 observations: Progress and challenges. Global Change Biology, 00,1-9. https://doi.org/10.1111/gcb.16412