基于GOSAT衛星數據的CO2全球時空分布特征分析

鄭景治，龐 皓

(安徽理工大學，安徽 淮南 232001)

1 引言

隨著人類社會經濟的發展，環境問題也越來越突出，大氣中的溫室氣體尤其是CO2成為了全球目光的焦點。在所有的溫室氣體中，CO2對溫室效應的影響是最大的，全球的快速發展也導致了CO2的加速排放，化石能源的不斷消耗和人類活動的增加都加速了CO2的排放，碳排放的不斷增加導致的溫室效應同時會帶來一系列的連鎖反應，比如北極冰川融化，極端天氣的增多等，本文將從時間和空間兩個角度來分析全球CO2的時空分布特征。

2 數據來源

GOSAT是全球發射的第一個針對CO2和CH4為觀測目標的衛星，其搭載的傅立葉變換光譜儀(FTS)在3個近紅外(NIR)波段執行高光譜分辨率測量。

本文的數據采用了GOSAT衛星遙感數據產品SWIR L3級的數據產品，SWIR L3級數據產品是由L2級數據產品經過空間統計方法估算出的2.5°×2.5°矩形區域的溫室氣體的混合比數據。本文從中選取的是從2009年6月到2019年6月的CO2濃度數據。本文的數據可以從https://data2.gosat.nies.go.jp/GosatDataArchiveService/usr/download/DownloadPage/view下載。下載的數據經過篩選剔除了南極周圍(60°S-90°N)之間的區域。這些區域的反演結果較差，存在較大的誤差。

為了驗證GOSAT衛星L3級數據的準確性，將中國瓦里關大氣本地站點測得的地面觀測數據和夏威夷MLO地基站點分別與GOSAT衛星數據做準確性的驗證。選取2010年6月到2019年12月的瓦里關站地基數據和MLO地基站點數據分別與GOSAT衛星數據做準確性驗證，探究利用GOSAT衛星數據做全球CO2濃度分布特征分析的可行性。

3 數據驗證

圖1是使用WLG地基站點數據與GOSAT衛星數據做趨勢分析的結果。由圖1可知，瓦里關站測得的近地面數據都與GOSAT數據具有很好的一致性，與GOSAT數據趨勢基本吻合，相關系數分別為0.903,二者平均偏差為(+3.1×10-6)。地基站觀測數據略高于衛星觀測數據，其主要原因是地基站點離地面較近，而地面則是CO2的“源”“匯”活動較頻繁，GOSAT衛星測得的數據為平均柱濃度數據，得到的平均值會略低于地面測量數據。最后得出結論，GOSAT衛星觀測數據可以用來分析全球CO2的時空分布特征

圖1 WLG地基站點數據與GOSAT衛星數據趨勢分析

4 分析討論

4.1 大氣CO2濃度空間分布特征

圖2顯示了全球多年(2009年6月至2019年6月)年平均對流層二氧化碳濃度反演的空間分布，圖中濃度分布顯示出顯著的空間差異性，總體來看，北半球CO2濃度明顯高于南半球，陸地的CO2濃度明顯高于海洋。是由于主要的陸地和人口集中在北半球，碳排放活動較南半球更頻繁。2009～2019年CO2濃度都呈上升趨勢，從384×10-6上升到410 ×10-6。其中亞洲東部地區、美國以及歐洲CO2濃度較高主要因為在中國沿海區域，屬于人口密集經濟發達地區。非洲中部地區CO2濃度較高的主要原因是非洲碳儲量的下降和厄爾尼諾現象導致的嚴重干旱有直接關系，而熱帶雨林地區的人為砍伐也有部分影響。

為了研究CO2濃度在緯向的時空分布特征，進一步計算了每10°范圍內的平均CO2濃度值，將全球分為15個區域，并對結果進行了統計分析。在這15個區域中，年平均CO2濃度值在20°～40°N之間最高(397.26×10-6),在40°～60°S區域最低(393.43×10-6)。年平均增長速率最快的區域是50°N～70°N(2.37×10-6/a),這個區域也是人類排放活動最為密集的緯度帶，年平均增長速率最低的區域是50°～60°S,該區域絕大部分屬于海洋區域，碳排放活動遠少于陸地。北半球對流層中CO2濃度年平均值和CO2年均增長速率均高于南半球，并整體呈現這樣一個規律，緯度帶越高，年均增長速率越高。北半球不同緯度帶之間濃度差異相比于南半球更加明顯。北半球中高緯度對流層CO2濃度季節變化也較為明顯，南半球的中高緯度大部分區域為海洋，人類活動稀少，所以變化相對來說不明顯。

圖2 2009～2020年平均對流層二氧化碳濃度反演的空間分布

4.2 大氣CO2時間變化特征

從時間維度上來看，可以看出全球CO2濃度一直是呈上升趨勢的，如圖3、圖4所示，就季節和月變化而言，對流層CO2濃度也呈現出顯著的季節性特征，春季最高，夏季最低，其次為秋冬季節，北半球春季CO2的濃度只有0°～10°N，70°～80°N兩個緯度帶之間沒有達到400×10-6，南半球春節CO2濃度普遍在400×10-6以下，春季濃度高的原因主要是因為春季的陸地植物活動頻繁，通過碳源匯功能轉換成大氣中的CO2，這也是CO2季節性波動的最主要原因。而夏(6,7,8月份)秋(9、10、11月份)兩季的南北半球CO2濃度則呈現相反的變化，南半球的夏秋兩季CO2濃度總體是高于北半球的。這是由于地理因素所決定的，南北半球季節變化也是相反的，在北半球的春季，陸地植被活動由于光合作用開始吸收大氣中的CO2，出現碳源到碳匯的轉化，大氣中CO2濃度降低，而夏季植被的光合作用最強，大氣中CO2濃度達到最低，到了秋冬季節，光合作用逐漸停止，植被活動開始由碳匯到碳源的轉化，到了冬季大氣CO2濃度達到最高值，而南半球則與北半球變化相反。

圖3 南半球2010～2018年CO2季節性變化

圖4 北半球2010～2018年CO2季節性變化

5 結論

本文利用了GOSAT衛星的L3級插值數據研究了全球對流層的CO2時空分布特征，主要結論如下：全球對流層CO2濃度具有顯著的時空異質性，在空間緯度上，呈現北高南低，海洋大于陸地的分布特征，人為排放也是導致CO2濃度升高的主因之一。在時間維度上，全球CO2濃度呈不斷上升趨勢，增長率也在不斷增加，且緯度越高，增長率越高。在季節變化上，南北呈現相反的差異。