陸地生態系統碳匯是中國實現碳中和的重要支撐。厘清中國陸地生態系統碳匯的大小和分布對于實現碳中和的戰略目標具有重要意義。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，我國高標準的地面CO2觀測站點較稀疏，是大氣反演中國陸地生態系統碳收支的瓶頸。正在蓬勃發展的衛星遙感技術可以通過衛星平臺獲得大氣CO2柱濃度數據，相較于地面站點觀測，衛星遙感觀測的空間覆蓋率更高，填補了地面觀測數據的空缺。

 

中國科學院青藏高原研究所生態系統功能與全球變化團隊及合作者系統回顧了專用于大氣CO2柱濃度監測的科學實驗衛星的發展歷史。從衛星平臺、遙感數據處理和大氣反演三個方面，總結了衛星遙感CO2的觀測現狀和對中國陸地生態系統碳收支評估的作用，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科學實驗衛星通過被動采集經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的衛星問世以來，日本、美國、中國都相繼發射了自己的大氣CO2柱濃度監測衛星。隨著衛星和傳感器技術進步，觀測的準度和精度不斷提高，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月發射的大氣環境監測衛星“大氣一號”，是全球首個利用激光雷達探測大氣CO2濃度的衛星，可以將傳統的衛星大氣CO2觀測擴展到夜間，并且通過激光雷達有效減小云和氣溶膠對大氣CO2遙感觀測的影響。

 

大氣CO2衛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，被稱為衛星遙感反演。其產品的精度取決于傳感器自身性質、對相應氣體理化性質的認識、對云和氣溶膠的處理等多個因素。如OCO-2的ACOS衛星遙感反演算法在改進了O2-A帶的氣體吸收截面參數后，提高對空氣質量的估算誤差，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衛星觀測和衛星遙感反演算法獲得的大氣CO2柱濃度，結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果，相關研究均利用OCO-2衛星觀測和衛星遙感反演算法ACOS解譯獲得的CO2柱濃度數據。研究結果表明，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果有較大影響。例如，采用GEOS-Chem模型時，大氣反演結果會顯著高于采用其他大氣傳輸模型的反演結果。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

 

研究人員認為，未來基于CO2衛星觀測的中國陸地碳匯估算，需要在衛星設計、衛星和地面協同觀測、衛星遙感反演算法、大氣反演算法等多方面開展工作。多個國家和機構已計劃發射具有更高觀測準度和精度，更大覆蓋范圍的CO2衛星，結合地面觀測站點，提高監測大氣CO2濃度的能力；衛星遙感反演算法需要向快速化、智能化發展，適應未來快速處理更多衛星、更龐大數據量、更高準度和精度的需求；大氣反演需要運用更高分辨率、更可靠的大氣傳輸模型，研發更先進的大氣反演技術，提供更準確的陸地碳匯估算結國際合作，逐漸形成一套完備的“自上而下”的區域陸地碳匯監測系統。

 

 

圖2 基于CO2衛星觀測的中國陸地碳匯估算的發展方向

 

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考察研究（2019QZKK0208），國家自然科學基金項目（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