GCB：基于二氧化碳衛(wèi)星觀測(cè)的中國(guó)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(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和的重要支撐。厘清中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯的大小和分布對(duì)于實(shí)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(cè)與大氣傳輸模型，并結(jié)合人為源CO2排放清單，評(píng)估陸地碳匯的一種重要手段。目前，我國(guó)高標(biāo)準(zhǔn)的地面CO2觀測(cè)站點(diǎn)較稀疏，是大氣反演中國(guó)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(guò)衛(wèi)星平臺(tái)獲得大氣CO2柱濃度數(shù)據(jù)，相較于地面站點(diǎn)觀測(cè)，衛(wèi)星遙感觀測(cè)的空間覆蓋率更高，填補(bǔ)了地面觀測(cè)數(shù)據(jù)的空缺。

 

中國(guó)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(tuán)隊(duì)及合作者系統(tǒng)回顧了專用于大氣CO2柱濃度監(jiān)測(cè)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的發(fā)展歷史。從衛(wèi)星平臺(tái)、遙感數(shù)據(jù)處理和大氣反演三個(gè)方面，總結(jié)了衛(wèi)星遙感CO2的觀測(cè)現(xiàn)狀和對(duì)中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支評(píng)估的作用，提出未來(lái)需要加強(qiáng)研究的問(wèn)題和方向。

 

目前，國(guó)際上在軌的主要大氣CO2科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星通過(guò)被動(dòng)采集經(jīng)大氣和地表反射的短波紅外光譜信息，計(jì)算大氣CO2柱濃度。自2002年，第一個(gè)搭載短波紅外光譜傳感器SCIMACHY的衛(wèi)星問(wèn)世以來(lái)，日本、美國(guó)、中國(guó)都相繼發(fā)射了自己的大氣CO2柱濃度監(jiān)測(cè)衛(wèi)星。隨著衛(wèi)星和傳感器技術(shù)進(jìn)步，觀測(cè)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(cè)覆蓋范圍仍不及全球地表面積的2%。我國(guó)于2022年4月發(fā)射的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星“大氣一號(hào)”，是全球首個(gè)利用激光雷達(dá)探測(cè)大氣CO2濃度的衛(wèi)星，可以將傳統(tǒng)的衛(wèi)星大氣CO2觀測(cè)擴(kuò)展到夜間，并且通過(guò)激光雷達(dá)有效減小云和氣溶膠對(duì)大氣CO2遙感觀測(cè)的影響。

 

大氣CO2衛(wèi)星獲得的光譜需通過(guò)大氣輻射傳輸模型，運(yùn)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(duì)相應(yīng)氣體理化性質(zhì)的認(rèn)識(shí)、對(duì)云和氣溶膠的處理等多個(gè)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(duì)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(cè)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(píng)估陸地碳匯。該研究收集并分析了10個(gè)中國(guó)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(cè)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(guó)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(duì)反演結(jié)果有較大影響。例如，采用GEOS-Chem模型時(shí)，大氣反演結(jié)果會(huì)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(guó)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(guó)陸地碳匯大小及空間分布

 

研究人員認(rèn)為，未來(lái)基于CO2衛(wèi)星觀測(cè)的中國(guó)陸地碳匯估算，需要在衛(wèi)星設(shè)計(jì)、衛(wèi)星和地面協(xié)同觀測(cè)、衛(wèi)星遙感反演算法、大氣反演算法等多方面開(kāi)展工作。多個(gè)國(guó)家和機(jī)構(gòu)已計(jì)劃發(fā)射具有更高觀測(cè)準(zhǔn)度和精度，更大覆蓋范圍的CO2衛(wèi)星，結(jié)合地面觀測(cè)站點(diǎn)，提高監(jiān)測(cè)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(lái)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(yùn)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(guó)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(cè)系統(tǒng)。

 

 

圖2 基于CO2衛(wèi)星觀測(cè)的中國(guó)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)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