卫星高光谱大气CO2遥感反演精度地基验证研究

利用TCCON网站提供的北半球7个地面观测站CO₂干空气混合比（XCO₂）数据,对3种卫星反演的XCO₂产品进行了验证,包括SCIAMACHY产品、NIES-GOSAT产品和ACOS-GOSAT产品。结果表明：卫星CO₂遥感反演产品与地基遥感资料具有较一致的季节性周期变化,一年中月平均浓度最高值均出现在4月和5月,最低值均出现在8月和9月;相对于地面观测,3种卫星产品均低估了XCO₂;ACOS-GOSAT产品与NIES-GOSAT产品的精度大体相当,误差标准差分别为2.26×10^-6和2.27×10^-6;SCIAMACHY产品的精度略差,误差标准差为2.91×10^-6。     

基于GOSAT反演的中国地区二氧化碳浓度时空分布研究

卫星遥感监测大气二氧化碳柱平均干空气体积混合比(XCO₂)是实现碳源汇全球监测的最有效手段,本文对国际上4种应用GOSAT卫星观测的短波红外反演算法进行了介绍和结果分析。首先对于4种反演产品的有效数据量的分析表明:现有单一反演产品还不足以支撑XCO₂时空分布研究。其次利用集合平均方法,综合使用4种反演产品研究了2010年中国地区XCO₂时空分布特征,结果表明:XCO₂呈现显著的地理分布和季节变化,不同地区季节变化趋势基本一致,均在春季达到最高值、夏季达到最低值,多数地区全年高于380 ppm (×10-6);在地理分布上,东部和西部地区存在较明显的差异,东部地区人口密集、工农业生产等人为活动旺盛,周边多被森林和草地覆盖,碳源汇强度大,因此XCO₂季节变化幅度较大,全年约8 ppm;中、西部地区受人类活动影响较少,植被覆盖稀疏,XCO₂全年变化仅5 ppm。     

卫星高光谱大气CO2探测精度验证研究进展

卫星高光谱大气CO₂遥感探测对全球气候变化研究意义重大,卫星CO₂反演产品的地基观测验证是获得产品精度评价、发现算法可适用范围和局限性的重要环节,因此地基高光谱CO₂的观测验证研究对提高卫星产品定量精度至关重要。本文综述了当前国际上大气CO₂探测卫星的研制进展,短波红外大气CO₂的反演方法进展,重点阐述了地基高光谱CO₂探测技术进展及其对卫星大气CO₂的定量探测精度验证方法和技术研究进展,并对该研究领域未来的发展提出展望。     

山西省城市大气CO2本底筛分对比及特征分析

基于典型城市站太原站2018年3月—2019年2月的大气CO₂在线观测资料,利用筛分法(Meteorological filtering method, MET)和黑碳示踪法(Black Carbon tracer, BC)进行本底/非本底的筛分,得到了本底浓度的变化特征。结果表明,太原大气CO₂浓度季均值冬季最高,夏季最低;不同季节呈“单峰型”日变化特征,日振幅均在26.0×10^-6以上;4个季节CO₂浓度与地面风速存在显著负相关关系;CO₂浓度抬升区域主要受当地工业布局的影响,最大抬升幅度在秋季达17.4×10^-6;使用气象筛分法(MET)得到年均本底浓度为(431.4±19.9)×10^-6,人为排放等对其影响为23.5×10^-6,年振幅比同纬度其它本底站大,为34.5×10^-6;黑碳示踪法(BC)得到冬季季均本底浓度为(445.0±22.9)×10^-6,比MET筛...     

百年尺度不同区域地表气温对CO2浓度非均匀动态分布敏感度的研究

地球系统模式结果表明大气CO₂浓度的快速增加是气候变化重要的原因之一。卫星资料分析结果表明，大气CO₂浓度并非均一的，而是有明显的区域差异，以人类活动为主的碳排放会影响这一区域差异。这种空间差异如何影响区域地表气温对CO₂的敏感度，需要进一步深入系统的研究，利用地球系统模式BNU-ESM(Earth System Model of Beijing Normal University)进行数值模拟，并与观测数据进行比较，结果表明：在试验模拟结果2°C阈值内，非均匀CO₂浓度试验的CO₂浓度增加阈值范围小于均匀CO₂浓度试验结果，偏少约为4.3 ppm(10₆)。在区域尺度上，中国地表气温对CO₂敏感度普遍低于美国、欧洲以及北半球平均水平，这表明CO₂浓度空间差异对地表气温的敏感度的影响存在明显区域差异，很可能是CO₂浓度辐射效应与气候系统反馈过程的共同作用结果，这需要进一...     

珠江三角洲地区大气CO2浓度特征及地面风的作用

利用光腔衰荡光谱(CRDS)技术在线观测了广州番禺大气成分站(GPACS)的大气CO₂浓度特征,分析了地面风对CO₂的作用。结果表明：(1)大气CO₂在珠江三角洲地区存在明显的地域不均匀特征,2014—2016年期间GPACS的年均本底浓度比全球背景地区平均增加了22.5×10^-6(22.5 ppm);(2)大气CO₂浓度在春季最高,冬、秋季次之,夏季最低,年均值为426.64±15.76 ppm;(3) CO₂的日变化为双峰结构,峰值分别在05:00—07:00和21:00—22:00,谷值在13:00—15:00,表明受到了自然过程以及人为排放源的复合影响;(4)风场显著影响CO₂的浓度分布,春、夏季CO₂浓度距平日变化与地面风速为显著负相关,秋、冬季则为显著正相关。在春、夏季,S-WSW和NNE-N风向上CO₂浓度较低,在秋、冬季,SSE-S和N方向均导致CO₂浓...     

不同陆地生态系统碳通量对GEOS-Chem模型模拟全球CO2浓度的影响

大气中CO₂含量的增加速率已经超过了自然界所能吸收的速度,并逐步影响到全球气候变暖。利用模型模拟分析已经成为一个重要的工具用以深入对碳循环的理解。本文使用2008～2010年的生物模型SiB3（Simple Biosphere version 3）与优化后的CT2016（Carbon Tracker 2016）陆地生态系统碳通量驱动GEOS-Chem大气化学传输模型模拟全球CO₂浓度。通过分析模拟CO₂浓度的空间分布与季节变化,加深对全球碳源汇分布特点的理解,探究陆地生态系统碳通量不确定性对模拟结果的影响,进而认识陆地生态系统碳通量反演精度提升的重要性。SiB3与优化后的CT2016陆地生态系统碳通量都具有明显的季节变化,但在欧洲地区碳源汇的表现相反,其全球总量与空间分布也存在极大的不确定性。模拟CO₂浓度结果表明:在人为活动较少地区,陆地生态系统碳通量对近地面CO₂浓度空间分布起主导作用,尤其在南半球和欧洲地区模拟浓度有明显差异,且两种模拟结果的季节差异依赖于陆地生态系统碳通量的季节变化。将模拟结果与9个观测站点资料进行对比,以期选用合适的陆地生态系统碳通量来提升GEOS-Chem模拟CO₂浓度的精度。实验结果表明:两种模拟结果均能较好的模拟CO₂浓度的季节变化及其峰谷值,但CT2016模拟的CO₂浓度在多数站点处更接近观测资料,模拟准确性更高。     

近红外CO2高光谱探测仪通道选择

近红外波段 (1.6 μm) 遥感可探测大气CO₂含量信息,应用于碳循环研究中。宽波段、高分辨率不但对仪器研制是一个挑战,而且巨大的数据量对观测的正演、反演也是一个挑战性课题。该文应用自由度及信息量分析法,对近红外高光谱波段中探测通道进行CO₂信息量分析,选择前20~100个高信息量的CO₂探测通道,并进行了反演模拟测试。结果表明:前20个高信息量通道占所有通道总信息量的76.4%,仅用所选的前20个通道进行反演,与所有通道参加反演的结果相比,误差增加0.3×10-6;通道数增至60时,信息量增加,通道数再增加,信息量则增加不显著;CO₂反演误差存在相似的关系。在高CO₂信息量分布上,弱吸收性质的1.6 μm波段和强吸收性质的2.06 μm波段表现出不同特点。     

我国温室气体本底浓度网络化观测的初步结果

CO₂和CH₄是《京都议定书》限排的主要温室气体。自1990年以来的长期观测表明, 我国青海瓦里关全球本底站大气CO₂和CH₄浓度与北半球中纬度地区其他一些本底站的同期观测结果具有可比性, 观测数据已成为WMO全球温室气体公报及国内外有关评估报告的重要参考依据; 我国4个区域本底站过去一年来的采样分析结果显示:北京上甸子、浙江临安、黑龙江龙凤山、湖北金沙大气CO₂和CH₄浓度明显高于同期瓦里关站的观测值, 表明4个区域站大气CO₂和CH₄受自然及人为活动的影响较大。迄今为止, 国内相关部门通过多种方式开展了温室气体浓度长期观测或短期科研, 各具优势和特点, 但力量相对分散、观测站稀少、侧重点和目标各异。为了全面掌握我国温室气体本底浓度时空变化, 了解不同区域大气受自然和人为活动影响的程度, 亟需相关部门分工协作、优势互补、资源共享, 尽快推进我国温室气体及相关微量成分的网络化观测分析和源汇反演模式系统建设, 进而测算、验证不同区域温室气体排放源和吸收汇的动态变化, 分析、评估各区域之间的输送和影响, 为我国应对气候变化的内政、外交提供决策支持。     

基于卫星遥感AOD的华北地区2003—2014年PM2.5浓度时空分布特征

华北及周边地区PM_2.5造成的污染, 近十年来引起了社会的广泛关注, 也是科学研究的重要领域。利用2003—2014年的卫星遥感MODIS AOD数据和2014—2015年的地面观测PM_2.5浓度数据, 采用聚类分析、混合效应模型、EOF分解等统计分析方法, 反演了2003—2014年华北及周边地区PM_2.5浓度, 分析其时空分布特征。主要结论如下:(1)卫星遥感MODIS AOD与地面观测PM_2.5值有较高的相关系数, 可利用MODIS卫星遥感AOD对地面观测的PM_2.5浓度进行反演; (2)华北地区PM_2.5浓度呈现出明显的空间分布特征:太行山脉是污染强弱明确的分界线, 山脉东南部的污染显著高于西部, 且在地势变化的地方出现明显的突变; 河北南部、河南北部和山东西北部分区域是污染最严重的地区; (3)2004年、2009年以及2013年后都是污染浓度比较低的年份。      

Seasonal and global NOx production by lightning estimated from the Optical Transient Detector (OTD)

The Optical Transient Detector (OTD) lightning data for the 12‐month period of 1996 are used to estimate the seasonal and global distributions of lightning‐produced NO _x . The relatively small viewing footprint and the low detection efficiency of the OTD sensor and other difficulties require extrapolations of the OTD data to the actual global flash distributions. Furthermore, available measurements for the ratios of intracloud (IC) to cloud‐to‐ground (CG) flashes have been used to partition lightning counts for IC versus CG flashes from the OTD observations. The resulting lightning distributions are then used to calculate the global and seasonal production of NO _x , assuming a NO production rate of 6.2×10²⁵ molecules for each CG flash and 8.7×10²⁴ molecules for each IC flash. Consequently, we find that CG flashes produce more NO _x than IC flashes despite fewer CG flashes by a factor of 3 or more. NO _x production by lightning varies seasonally in accordance with the global lightning distribution, with the maximum production occurring in the Northern Hemisphere in the local summer. The latitudinal distribution of NO _x production exhibits a strong seasonal variation outside the tropics with the production occurring mainly in the summer hemisphere, whereas in the tropics the production is high throughout the year. The annual contribution to NO _x production by lightning is higher in the Northern Hemisphere than that in the Southern Hemisphere.     

1961-2020年郑州主城区大气自净能力变化特征分析

利用郑州市主城区1961—2020年气象观测资料和2014—2018年空气质量监测数据,分析了郑州主城区大气自净能力指数的长期变化趋势与影响因子以及2014—2018年主城区大气自净能力与PM_(2.5)的关系。结果表明:郑州主城区大气自净能力指数30 a气候均值为4.42 t·(d·km^(2))^(-1),春季大气自净能力最强,为5.20 t·(d·km^(2))^(-1);秋季大气自净能力最弱,为3.88 t·(d·km^(2))^(-1),不利于对大气污染物的清除。1961—2020年郑州主城区大气自净能力呈显著的减弱趋势,其中1969年最强为6.85 t·(d·km^(2))^(-1),2020年最弱为3.06 t·(d·km^(2))^(-1)。影响因子中,1961—1980年混合层厚度与大气自净能力指数呈正相关;日平均风速≥2.5 m·s^(-1)的日数和小风日数与大气自净能力分别呈正、负显著相关;大气自净能力指数与降水日数显著相关,2015年后偏强降水日数的增加对大气自净能力在同时期的增强有一定影响。此外,研究还表明主城区大气自净能力和PM_(2.5)浓度存在显著的负相关,说明大气自净能力强时,对应的PM_(2.5)浓度低,环境空气质量趋好。     

全球升温1.5℃时北半球多年冻土及雪水当量的响应及其变化

本文基于耦合模式比较计划第5阶段（CMIP5）的17个全球气候模式,确定了1.5℃温升（相对于1861-1880年）的发生时间,预估了全球升温1.5℃时,北半球冻土和积雪的变化,并对预估结果的不确定性进行了讨论。结果表明,全球平均地表温度在3种排放情景下（RCP2.6,RCP4.5,RCP8.5）分别于2027、2026、2023年达到1.5℃阈值。当全球升温1.5℃,北半球多年冻土南界北移1°～3.5°,冻土退化主要发生在中西伯利亚南部。多年冻土面积在全球升温1.5℃时,在RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5排放情景下较1986-2005年分别减少约3.43×10⁶ km²（21.12%)、3.91×10⁶ km²（24.10%）和4.15×10⁶ km²（25.55%);北半球超过一半以上的区域雪水当量减少,只在中西伯利亚地区略微增加;北美洲中部、欧洲西部以及俄罗斯西北部减少较显著,减少约40%以上。青藏高原多年冻土面积在RCP2.6、RCP4.5以及RCP8.5排放情景下分别减少0.15×10⁶ km²（7.28%)、0.18×10⁶ km²（8.74%）和0.17×10⁶ km²（8.25%)。青藏高原冬、春季雪水当量分别减少约14.9%和13.8%。     

Seasonal variation of the molecular hydrogen uptake by soils inferred from continuous atmospheric observations in Heidelberg, southwest Germany

The dominant sink of atmospheric molecular hydrogen (H₂) is its enzymatic destruction in soils. Quantitative estimates of the global sink strength, as derived from bottom-up process studies, are, however, still associated to large uncertainties. Here we present an alternative way to estimate atmosphere-to-soil flux densities, respectively deposition velocities of H₂, based on atmospheric H₂ and ²²²Rn observations in the boundary layer. Two and a half years of continuous measurements from a polluted site in the Rhine-Neckar area have been evaluated and night-time flux densities were calculated for situations of strong nocturnal boundary layer inversions using the Radon-Tracer Method. The influences from local anthropogenic combustion sources could be detected and successfully separated by parallel measurements of carbon monoxide. Inferred daily uptake fluxes in the Heidelberg catchment area range from 0.5 to 3 × 10⁻⁸ g H₂ m⁻² s⁻¹ with a mean value of (1.28 ± 0.31) × 10⁻⁸ g H₂ m⁻² s⁻¹. Uptake rates are about 25% larger during summer than during winter, when soil moisture is high, and diffusive transport of H₂ into the soil is inhibited. The mean deposition velocity is 3.0 ± 0.7 × 10⁻² cm s⁻¹_, which is very well in line with direct measurements on similar soil types in Europe and elsewhere.     

Spring initiation and autumn cessation of boreal coniferous forest CO2 exchange assessed by meteorological and biological variables

We studied the commencement and finishing of the growing season using different air temperature indices, the surface albedo, the chlorophyll fluorescence (Fv/Fm) and the carbon dioxide (CO₂) tropospheric concentration, together with eddy covariance measurements of CO₂ flux. We used CO₂ flux data from four boreal coniferous forest sites covering a wide latitudinal range, and CO₂ concentration measurements from Sammaltunturi in Pallas. The CO₂ gas exchange was taken as the primary determinant for the growing season to which other methods were compared.
Indices based on the cumulative temperature sum and the variation in daily mean temperature were successfully used for approximating the start and cessation of the growing season. The beginning of snow melt was a successful predictor of the onset of the growing season. The chlorophyll fluorescence parameter Fv/Fm and the CO₂ concentration were good indicators of both the commencement and cessation of the growing season. By a derivative estimation method for the CO₂ concentration, we were also able to capture the larger-scale spring recovery. The trends of the CO₂ concentration and temperature indices at Pallas/Sammaltunturi were studied over an 11-yr time period, and a significant tendency towards an earlier spring was observed. This tendency was not observed at the other sites.     

基于飞机观测资料的石家庄秋季对流层CH4垂直分布特征

为研究石家庄秋季对流层内CH₄垂直分布特征,2018年9月使用“空中国王350”飞机搭载Picarro温室气体在线观测仪和气象要素观测设备,对石家庄上空（600—5500 m）CH₄浓度进行探测。探测期间共飞行7架次,取得7条CH₄浓度廓线数据。结果表明: 石家庄上空近地面层（1000 m以下）CH₄平均浓度与同时间段区域背景站上甸子站CH₄浓度呈显著正相关（r=0.81,P < 0.03）。探测到的CH₄浓度最小值为1898×10^-9摩尔分数,最大值为2219×10^-9摩尔分数,平均浓度为1981×10^-9摩尔分数。观测得到的7条廓线均有较好的一致性,2000 m以上,浓度均随高度呈先增大后减小的趋势。利用后向轨迹模式（HYSPLIT）对探测时段内石家庄上空不同高度层主要气流传输路径进行统计分析表明,600 m高度输送路径较短,CH₄浓度受本地排放影响较大; 3000 m受输送作用影响较大,偏西和西南路径可能将较高CH₄浓度气团输送至石家庄上空; 5000 m气团传输对CH₄浓度影响较小,浓度相对较稳定,对传输路径的变化不敏感。     

中国的PM2.5和对流层臭氧及污染物排放控制对策的综合分析

本文首先对中国PM2.5和近地面臭氧浓度的观测进行了简要的综述;并利用2010-2013年全球对流层臭氧的卫星观测数据给出了对流层臭氧浓度在全球和中国地区的分布特征,其平均值分别为29.78 DU和33.97 DU。然后,利用一个气溶胶大气化学-全球气候双向耦合模式模拟了中国地区PM2.5的浓度分布和季节变化,其年平均值为0.51×10^-8 kg/m³。在此基础上又分析了5种典型气溶胶对PM2.5总浓度在不同季节的贡献。结合IPCC第五次评估报告（AR5）,讨论了气溶胶和温室气体及其前体物的排放与辐射强迫的联系,以及减排大气臭氧前体物和气溶胶颗粒物质（PM）对气候变化的可能影响。指出减排臭氧前体物对气候的影响还不完全清楚,对短寿命的温室气体和黑碳气溶胶的减排是一种短期（未来50年）的辅助措施;为了保证全球平均温度增长不超过2℃,减少二氧化碳的排放仍是我们需要坚持的长期战略。短期和长期的减排战略对于保护环境和减缓气候变化都是至关重要的。     

IPCC AR6报告解读：气候系统对二氧化碳移除响应

IPCC AR6报告中控温1.5℃和2℃的低排放情景需要在21世纪中叶以后实现净负CO₂排放,这需要在很大程度上依赖CO₂移除措施。AR6对CO₂移除的主要评估结论如下：CO₂移除有潜力从大气中去除CO₂（高信度);如果CO₂移除量超过CO₂排放量,将实现净负CO₂排放,降低大气CO₂浓度,减缓海洋酸化（高信度);通过CO₂移除方法从大气中去除的CO₂会部分被海洋和陆地释放的CO₂抵消（非常高信度);如果净负CO₂排放可以实现并且持续,CO₂引起的全球升温趋势将会逐渐扭转,但是气候系统的其他变化（例如海平面升高）仍会在未来的几十年到千年尺度上持续（高信度);不同CO₂移除方法会对生物化学循环和气候产生广泛的影响,这些影响会加强或减弱CO₂移除的降温潜力,并且影响水资源、食物生产和生物多样性（高信度）。