学术前沿 | 利用新版本的全球碳同化系统和GOSAT XCO2反演2010 - 2015年全球不同地区碳通量
导语
二氧化碳(CO2)是大气中最重要的温室气体之一。自1800年代以来，人类的工业化进程中对化石燃料的使用以及土地利用的变迁是造成大气中CO2浓度飙升的主要原因。陆地生态系统和海洋在调节大气CO2浓度方面起着非常重要的作用。在过去半个世纪中，约60%人为排放的CO2被陆地生态系统和海洋所吸收；但从另一个角度来看，陆地和海洋生态系统的碳吸收具有显著的空间差异和年际变化。因此，定量评估全球和区域碳通量的时空变化特征具有非常重要的意义。近日，南京大学国际地球系统科学研究所江飞教授作为第一作者发表了相关研究论文，该研究开发了我国新一代的基于卫星遥感的全球碳同化系统GCASv2，利用碳卫星XCO2产品反演揭示了全球不同地区的陆地生态系统碳通量变化特征，研究成果提高了地表碳通量估算的准确性，GOSAT XCO2产品反演有助于更好地了解区域碳通量的年际变化。
论文题目：Regional CO2 fluxes from 2010 to 2015 inferred from GOSAT XCO2 retrievals using a new version of the Global Carbon Assimilation System
发表期刊：《Atmospheric Chemistry and Physics》
论文地址：https://doi.org/10.5194/acp-21-1963-2021
研究内容
基于卫星遥感监测到的干洁空气CO2柱浓度数据（XCO2），具有良好的空间覆盖，对提高碳通量的估算准确率有很大的帮助。
为了同化XCO2数据，本研究对全球碳同化系统（Global Carbon Assimilation System，GCAS）进行了升级，创新了基于卫星遥感的陆地碳源汇反演方法，包括1）提出两步优化方案，在每一个同化时间窗口，先反演优化碳通量，然后用优化的碳通量通过正向模拟优化下一时间窗口的CO2浓度初始场，保证了反演的鲁棒性；2）引入“超级观测”方案，解决卫星XCO2数据量过大和重复优化导致的过调问题；3）耦合遥感驱动的生态系统过程模型BEPS，使得同化系统不仅可以利用卫星XCO2数据，还可以充分利用卫星观测的植被参数信息，如叶面积指数、聚集度指数等；4）优化了局地化方案和卫星数据处理方案，大幅提高了反演精度；5）改写代码优化计算效率，将系统分辨率从全球3°×3°提高到了1°×1°，在此基础上，建成了我国新一代基于卫星遥感的全球碳同化系统，新系统命名为GCASv2。
基于GCASv2系统，利用GOSAT ACOS（(Atmospheric CO2 Observations from Space)的XCO2数据（7.3版本），对2009年5月1日至2015年12月31日期间全球陆地生态系统和海洋碳通量进行反演估算，并且利用全球52个地面观测站点的CO2观测数据，对优化后的碳通量进行了独立验证。结果表明：优化后的碳通量可以显著提升大气CO2浓度的模拟结果，全球CO2浓度平均偏差从先前的1.6±1.8 ppm降低到了-0.5±1.8 ppm，较大的负偏差主要来自于北美和欧洲，说明这些地区的碳汇可能高估；GCASv2将全球陆地生态系统碳通量估算的不确定性降低了17％，区域最高的月度不确定性降低了51%。从全球尺度上来看，本研究估算的全球陆地和海洋生态系统的年均碳汇值及其年际变化与同时段Carbon Tracker 2017（CT2017）的估计值非常接近，并且估算的大气CO2浓度平均增长率及其年际变化也与观测结果十分接近，年均偏差为-0.11 PgC yr-1。
反演结果显示，在北半球，北美洲的温带地区是碳汇最强的地区，其次是欧洲、亚洲北部以及亚洲的温带地区；在热带地区，最强的碳汇出现在南美洲热带地区和亚洲热带地区，而非洲地区则很弱。这一空间分布与CT2017的结果有显著不同，可能是与先验通量和同化的CO2浓度观测的不同有关。但是每个大洲以及一些关键区域（例如亚洲北部和亚马逊河流域）的碳汇估计值与以往的估计值相当，具有可比性；或者在估计值的阈值范围内。
GCASv2同时也显著改变了各地区碳汇的年际变化，通过与严重干旱区（SDA）和叶面积指数年际变化的对比，以及与前人关于极端季候事件对陆地碳汇影响研究结果的比较显示，相比先验，优化后的各地区碳汇年际变化能更好的揭示极端气候事件对生态系统碳汇的影响。这些结果表明，利用GCASv2系统对GOSAT XCO2卫星数据的反演效果很好，在估算地表碳通量方面具有良好的性能；同时，我们的结果也表明，GOSAT XCO2数据能够有助于我们更好地理解区域碳通量的年际变化。
图1. GCASv2系统流程图
图2. 四个地面站模拟和观测二氧化碳浓度时间序列图（mlo位于太平洋中心区域、nwr位于美国西部地区、nat位于亚马逊地区、tik位于西伯利亚地区；其中mlo与nwr为山地站点，nat与tik为沿海站点。）
图3. 陆地生态系统和海洋碳通量的年均分布:(a)前验，(b)后验，和(c)两者间的差异(后验-前验)(单位:gC m−2 yr−1)
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