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探尋我國碳匯分布:從大氣CO₂探測入手

文 | 王婧劉毅楊東旭

二氧化碳(CO₂)是地球大氣的重要組成部分，體積組分約占大氣的0.04%．大氣中的CO₂會產生較強的溫室效應，含量過高將導致地表溫度升高．自工業(yè)革命以來，人類對化石燃料的消耗，導致CO₂等溫室氣體被大量釋放，超過了大自然的調節(jié)能力，導致殘留在大氣中的CO₂含量急劇上升，是造成全球升溫的主要原因。目前，中國是世界上最大的CO₂排放國之一"，一直是國際氣候變化談判的焦點。我國自20世紀80年代末開始注重環(huán)境保護，植樹造林等多項工程增加了陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯．無論對國際談判還是氣候變化研究，都需要對我國的陸地碳收支進行研究。

計算陸地碳交換的方法主要有“自下而上”和“自上而下”兩大類。“自下而上”方法一般包括基于過程的模型和基于經(jīng)驗模型的升尺度計算，基于過程的模型通過考慮各種指定植被類型的碳流動內部生化機制(如:光合作用、呼吸和分解)來模擬生態(tài)系統(tǒng)尺度的碳循環(huán)。

基于經(jīng)驗模型的升尺度計算將環(huán)境因素(如:空氣溫度、降水、輻射和植被參數(shù)等)作為輸入數(shù)據(jù)，并由經(jīng)驗獲得的CO₂通量與這些環(huán)境因素之間的關系開展計算。“自上而下”方法主要是根據(jù)大氣中CO₂的濃度變化對地表的CO₂通量進行優(yōu)化計算。一般以大氣化學傳輸模式作為正向模式，結合CO₂先驗清單(如生物質和化石燃料的燃燒排放等)計算模擬的CO₂濃度場，結合數(shù)據(jù)同化方法尋求觀測值和模擬值之間的一致性，進而計算陸地碳通量，該方法一般稱為碳同化反演。我們結合GEOS-Chem大氣化學傳輸模式和集合卡爾曼濾波算法2'對中國地區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量進行計算。圖1給出了該研究所用的同化反演模式框架圖。

圖1 研究所用CO2同化反演模式框架結構

盡管中國的碳收支研究對全球碳循環(huán)至關重要，但一直以來，由于地面觀測數(shù)據(jù)的缺乏，利用碳同化反演算法計算中國碳源匯的研究較少且結果的不確定度較大。該研究在傳統(tǒng)使用的NOAA ESRL觀測數(shù)據(jù)集的基礎上，主要加入了中國氣象局的6個區(qū)域背景站觀測、西伯利亞地區(qū)日俄聯(lián)合高塔觀測網(wǎng)數(shù)據(jù)，從而增加了歐亞大陸的約束信息。

研究設置了兩組實驗, 一組僅使用通用的NOAA數(shù)據(jù)集(SR-1), 另一組同時使用NOAA數(shù)據(jù)集、WDCGG香港HKG 站點、日俄-聯(lián)合高塔觀測網(wǎng)以及中國氣象局區(qū)域背景觀測網(wǎng)數(shù)據(jù)進行同化反演計算(SR-2)。相較于SR-1, SR-2明顯降低了歐亞大陸北部和溫帶地區(qū)的通量不確定度, 中國地區(qū)不確定度下降了0.14 GtC/a(26.9%)。

中國地區(qū)SR-1和SR-2計算的后驗大氣凈通量分別為(1.82±0.52)和(1.37±0.38)GtC/a,陸地生態(tài)系統(tǒng)通量分別為(?0.66±0.52)和(?1.11±0.38)GtC/a, 該結果較前人研究結果偏大。根據(jù)SR-2計算結果, 2010—2016年中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯平均吸收了人為碳排放的44.8%。

相較于SR-1, SR-2增大的碳匯主要位于西南地區(qū)(全年)以及東北地區(qū)(僅夏季)。本研究對影響同化結果的觀測數(shù)據(jù)過濾條件、先驗通量不確定度和人為碳排放清單等進行了敏感性測試。綜合考慮各敏感性實驗, SR-1和SR-2計算的中國地區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯的范圍分別為（?0.55±0.52)~(?0.89±0.52)GtC/a以及(?0.89±0.38)~(?1.47±0.38)GtC/a。

衛(wèi)星觀測覆蓋范圍廣，在地面觀測站點稀疏及缺乏的區(qū)域可提供額外的觀測信息。本研究分別使用GOSAT(ACOS產品)和OCO-2(ACOS產品)觀測進行反演(試驗分別簡稱GO- SAT-ACOS和OCO₂-ACOS)。

研究表明, 使用衛(wèi)星觀測有效降低了地面觀測稀少的南美洲、非洲、大洋洲以及赤道地區(qū)的通量不確定度。GOSAT-ACOS計算2010—2015年我國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯的平均值為(?0.83±0.47) GtC/a, OCO₂-ACOS計算2015—2016 年我國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯的平均值為(?0.88±0.43) GtC/a，兩組衛(wèi)星數(shù)據(jù)計算的年均陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯較SR-2均略偏小。

衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演結果在主要的生長季(5—9月)的碳匯較SR-2反演結果偏大, 全年平均碳匯偏小主要是由于在11月份到第二年3月份的碳排放更高, 這種差異GOSAT ACOS相比OCO-2ACOS數(shù)據(jù)的反演結果更明顯。衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演結果的地理空間分布以及季節(jié)循環(huán)變化基本與SR-2相同, 表明了衛(wèi)星數(shù)據(jù)在反演區(qū)域碳通量上的巨大潛力。

由于計算的后驗陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯主要分布于中國的森林覆蓋地區(qū), 分別利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和中國林業(yè)和草原局森林清查數(shù)據(jù)分析全國以及SR-1和SR-2差異明顯的西南、東北地區(qū)的森林變化情況。MODIS土地利用覆蓋類型數(shù)據(jù)表明我國中部、西南、東南以及東北地區(qū)的森林區(qū)域有明顯增加趨勢, 并且西南地區(qū)增加最為明顯。

中國林業(yè)和草原局森林清查數(shù)據(jù)表明, 自20世紀80年代開始, 我國森林資源進入到了迅速增加的階段。從第1次~第8次森林清查, 全國森林面積增加了70.2%、蓄積量增加了75%。從第6次~第9次森林清查, 廣西、貴州和云南的森林覆蓋率分別提高了18.8、20 以及18.5個百分點, 森林覆蓋率分別達到了60.2%、43.8%和59.3%。森林的迅速增加導致我國的森林年齡結構較為年輕, 中幼齡林占到了65%。遼寧、貴州和廣西的幼齡林占比最大, 分別為47%、50%以及46%。由于我國森林相對年輕, 因此我國的森林有著巨大的碳吸收潛力。

盡管由于觀測數(shù)據(jù)較少的限制, 目前我們的研究結果仍有較大的不確定性, 但這個研究結果揭示我國陸地生態(tài)系統(tǒng)巨大的碳吸收能力, 肯定了我國近40年來對恢復天然森林植被、加強人工林培育的巨大投入取得的成果。未來, 需要更多的地面觀測, 結合融合的多顆衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù), 尤其是我國碳衛(wèi)星(TanSat)數(shù)據(jù), 來對我國碳源匯進行進一步的研究。相關研究結果發(fā)表在Nature上。

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6 Wang J, Feng L, Palmer P I, et al. Large Chinese land carbon sink estimated from atmospheric carbon dioxide data. Nature, 2020, 586: 720–723

本文轉載自“科學通報”，原標題《探尋我國碳匯分布：從大氣CO₂探測人手》，文 | 王婧劉毅楊東旭

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