麥博儒,鄧雪嬌,安興琴,劉顯通,李 菲,劉 霞 (1.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所,廣東廣州 510080；2.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所,廣東省區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報(bào)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510080；.中國氣象局大氣化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國氣象科學(xué)研究院大氣成分研究所,北京 100081；.廣州市氣象臺,廣東 廣州510080)

大氣 CO2主要源有生物呼吸、化石燃料燃燒、土地利用變化等,陸地生態(tài)系統(tǒng)的光合作用、海洋呼吸、碳沉積等是CO2的重要匯[1-2].研究表明,1750年以來大氣CO2濃度增加所產(chǎn)生的輻射強(qiáng)迫為(1.66±0.17)W/m2,約占所有長壽命溫室氣體所產(chǎn)生的輻射強(qiáng)迫的 63%,是造成全球增溫的最重要的溫室氣體[3].因此,監(jiān)測和評估大氣 CO2濃度的特征,探明區(qū)域碳源、匯的輸送機(jī)制及其影響因素,是當(dāng)今全球變化研究中的焦點(diǎn)問題[4].

目前,國內(nèi)外普遍開展了大氣CO2的地基觀測研究,獲取了系列本底、非本底濃度及其分布的研究成果[5-10].然而,傳統(tǒng)的大氣 CO2地基觀測方法雖然具有精度高、可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),但是都是單點(diǎn)的測量,缺乏對區(qū)域和全球大范圍實(shí)時(shí)監(jiān)測的能力和統(tǒng)一的探測方法[11],同時(shí)地基觀測的費(fèi)用也相當(dāng)昂貴.利用衛(wèi)星遙感探測大氣CO2濃度,可以更好地掌握其全球時(shí)空分布狀況,提高對CO2源匯特征、輸送過程以及區(qū)域和全球碳循環(huán)的認(rèn)識,增強(qiáng)預(yù)測未來大氣CO2濃度的能力,進(jìn)而增加對未來全球氣候變化研究和預(yù)測的可信度

[12].目前,歐洲、美國、日本等發(fā)達(dá)國家相繼發(fā)射了具有大氣 CO2監(jiān)測能力的衛(wèi)星平臺和傳感器,如SCIAMACHY (SCanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography)[13],AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)[14], GOSAT(Greenhouse gases Observing SAtellite)[15]等,初步探測全球不同區(qū)域的溫室氣體濃度水平和碳源匯分布狀況,積累了豐富的觀測和反演成果[16-19].相比而言,我國大氣 CO2衛(wèi)星遙感研究尚處于初步探索階段,正在研制的二氧化碳監(jiān)測衛(wèi)星(中國碳衛(wèi)星:TanSat)暫定于 2015年發(fā)射[20],一定程度上制約了現(xiàn)階段我國溫室氣體監(jiān)測評估研究和應(yīng)用.盡管如此,我國一些學(xué)者采用國外的衛(wèi)星遙感產(chǎn)品對大氣CO2濃度時(shí)空分布、CO2的反演算法以及反演精度檢驗(yàn)等方面進(jìn)行了有益探索.白文廣等[21]利用北半球 5個(gè)地面本底站和飛機(jī)觀測的CO2濃度對AIRS反演得到的對流層中層CO2產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證,并對中國地區(qū)對流層中層二氧化碳時(shí)空變化特征進(jìn)行監(jiān)測分析研究.劉毅等

[20]針對 TanSat的高精度遙感觀測科學(xué)目標(biāo),基于最優(yōu)估計(jì)理論建立了監(jiān)測全球碳源匯變化的大氣二氧化碳混合比(XCO2)的高精度反演方法,并利用 GOSAT觀測光譜數(shù)據(jù)開展了反演試驗(yàn);何茜等[22]對 SCIAMACHY、GOSAT 以及AIRS的CO2遙感產(chǎn)品的反演精度進(jìn)行比對和檢驗(yàn),并開展了全球CO2濃度時(shí)空特征分析.

廣東省是中國經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的地區(qū)之一,同時(shí)也是溫室氣體排放高值區(qū).研究發(fā)現(xiàn),珠三角區(qū)域溫室氣體有明顯的地域特點(diǎn),其CO2濃度低于北京地區(qū),可能與植物的光合作用能力強(qiáng)、冬季無需供暖能源的消耗有關(guān)[23].此外,珠三角區(qū)域碳通量和潛熱通量的季節(jié)變化在陸-氣能量平衡中具有非常重要的作用,是反映區(qū)域氣候變化的強(qiáng)烈信號[24].然而,到目前為止,廣東地區(qū)大氣 CO2濃度的分布特征及其影響因素鮮見報(bào)道.搭載在歐空局ENVISAT衛(wèi)星上的SCIAMACHY儀器,通過對近紅外波段光譜的探測,可用于對流層CO2濃度信息提取.本研究利用 2003～2009年的 SCIAMACHY CO2產(chǎn)品資料,分析廣東省不同區(qū)域?qū)α鲗覥O2的柱濃度水平、季節(jié)、區(qū)域變化特征,為了解區(qū)域溫室氣體分布和相互影響,客觀、準(zhǔn)確地評估CO2排放源和吸收匯的變化機(jī)制提供理論支持.

1 資料與方法

1.1 資料來源

與其他熱紅外衛(wèi)星傳感器如AIRS,MOPITT(Measurements Of Pollution In The Troposphere)和 IASI(Infrared Atmospheric Sounding Interferometer)等相比,由于 SCIAMACHY 觀測的是近紅外波段的太陽反射、散射光,而非熱紅外波段的大氣輻射信號,所以其對與人類活動密切相關(guān)的底層大氣具有更高的敏感性.SCIAMACHY共有8個(gè)分光通道用于探測對流層大氣成分,覆蓋了紫外到近紅外的波段區(qū)間(240～2400nm),光譜分辨率為 0.2～1.4nm,可用于包括水汽、CH4、NO2、CO以及 CO2等多種大氣參數(shù)的反演,其中 CO2探測波段在 1561.03～1585.39nm 的弱吸收帶,儀器測量精度為 14×10-6[11,25].有關(guān)SCIAMACHY對對流層CO2垂直柱平均濃度的反演算法以及地面驗(yàn)證工作和誤差分析,目前已經(jīng)有較多的研究結(jié)果[25-27].本研究的資料來自歐洲太空總署(ESA)網(wǎng)站(https://earth.esa.int/web/guest/data-access)的 0.5°×0.5°網(wǎng)格的CO2柱平均濃度數(shù)據(jù)(表1),該產(chǎn)品對水汽、溫度以及氣壓的影響均作了訂正處理[25,28].

本研究分別利用2003年1月～2009年12月瓦里關(guān)全球本底站、2004年6月～2005年5月珠三角番禺氣象局站觀測的 CO2濃度數(shù)據(jù)對衛(wèi)星產(chǎn)品進(jìn)行地基驗(yàn)證.瓦里關(guān)站采用了 Flask瓶采樣方式收集大氣 CO2樣本,參照 WMO/GAW 推薦的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)測量和質(zhì)量控制[9-10,29-30].番禺氣象局站(22.43N,113.23E,12.5m)采用渦動相關(guān)系統(tǒng)觀測大氣中的 CO2濃度及其通量.在觀測之前,均利用(300～400)×10-6之間的 3級標(biāo)氣對CO2觀測系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)校[24],同時(shí)對獲取的觀測資料進(jìn)行了數(shù)據(jù)訂正和質(zhì)量控制[23].

表1 SCIAMACHY反演的CO2產(chǎn)品信息Table 1 Description of SCIAMACHY CO2product

1.2 反演方法

SCIAMACHY采用不萊梅大學(xué)開發(fā)的加權(quán)函數(shù)修正差分光學(xué)吸收光譜算法(Weighting Function Modified DOAS,WFM-DOAS)[31-33],通過對測量光譜與模擬光譜進(jìn)行最小二乘法擬合來確定 CO2廓線定標(biāo)因子,從而得到大氣中的CO2柱濃度,其表達(dá)方式如下式(1).

式中:(creal,areal)為測量光譜為模擬光譜,c為先驗(yàn)狀態(tài)參量,為輻射傳輸模型在先驗(yàn)狀態(tài)參量狀態(tài)下的模擬值,為大氣參數(shù)j的權(quán)重函數(shù),為低階多項(xiàng)式,用來表示云層覆蓋、氣溶膠、地面反射率、灰霾等具有寬帶吸收結(jié)構(gòu)的影響.太陽歸一化的模擬光譜常量和柱權(quán)重函數(shù)可根據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn)大氣廓線參數(shù)、光譜參數(shù)、太陽光譜、觀測參數(shù)等參數(shù),運(yùn)用大氣輻射傳輸模擬軟件SCIATRAN計(jì)算獲得,為已知量,寬帶吸收結(jié)構(gòu)的影響一般通過低通濾波的方法消除.最后將測量光譜與模擬光譜進(jìn)行最小二乘法擬合即可計(jì)算出待測氣體的廓線定標(biāo)因子cfit=c/,從而反演出氣體的垂直柱濃度[34]:

SCIAMACHY運(yùn)用了前向模型對測量光譜建模,通過多項(xiàng)式擬合的方法計(jì)算 CO2的垂直柱濃度.儀器噪音所產(chǎn)生的隨機(jī)誤差取決于信噪比、地表反照率以及不同通道檢測器的性能等,對 CO2柱濃度而言,上述因素所引起的觀測誤差約為 1%[35].相比而言,衛(wèi)星過境掃描期間云和氣溶膠等因素的變化很大,由此引起的CO2柱濃度系統(tǒng)觀測誤差較高,在地表反照率為 0.3的條件下由卷云引起的柱濃度誤差為0.74%,相應(yīng)的 CO2干氣體混合比誤差達(dá)3.12%[35];在撒哈拉地區(qū)由極端沙塵氣溶膠所引起的柱濃度被高估了約 10%[36],其他區(qū)域由海鹽、城市及鄉(xiāng)村等類型氣溶膠所引起的CO2觀測誤差約為2%[25].

2 結(jié)果與討論

2.1 SCIAMACHY CO2產(chǎn)品的地基驗(yàn)證

由圖1、圖2可見,在瓦里關(guān)地區(qū)衛(wèi)星反演結(jié)果與地基觀測值具有很好的一致性,復(fù)相關(guān)系數(shù)(R2)為 0.519(P<0.05),但衛(wèi)星反演的濃度存在系統(tǒng)性偏高(圖1),這與何茜等[22]的研究結(jié)果一致.相比而言,番禺氣象局站觀測值與SCIAMACHY產(chǎn)品的一致性稍低,其復(fù)相關(guān)系數(shù)(R2)為 0.476,但通過了 95%的置信度檢驗(yàn)(P<0.05),說明衛(wèi)星觀測的柱濃度與當(dāng)?shù)氐腃O2凈排放量直接相關(guān).

由表 2可以看出,瓦里關(guān)站的殘差為 1.33×10-6,高于 AIRS以及 GOSAT的地基驗(yàn)證結(jié)果

[16,21],月均標(biāo)準(zhǔn)差約為 3×10-6,與 Schneising等

[36]的研究基本一致.2003～2009年瓦里關(guān)地面觀測的平均年增長率約為 1.90×10-6/a,相應(yīng)衛(wèi)星反演的年增長率約為 1.58×10-6/a,差值小于 0.4×10-6.由于番禺氣象局站的觀測時(shí)間只有1年,因此無法得到 CO2濃度的年增長率,但其觀測均值與SCIAMACHY反演值的殘差為 1.29,這與瓦里關(guān)地區(qū)的結(jié)果相當(dāng).比較圖 1和圖2可以發(fā)現(xiàn),瓦里關(guān)站衛(wèi)星反演的CO2柱濃度值域范圍大于地基觀測的范圍,而番禺氣象局站則相反,其衛(wèi)星反演的柱濃度值域范圍小于地基觀測.瓦里關(guān)站衛(wèi)星反演的 CO2濃度波動范圍高于地基觀測,這可能是由于衛(wèi)星反演的柱濃度同時(shí)受到了對流層中高層 CO2濃度變化[21],以及近地層植被吸收、排放的 CO2等因素的影響,因此其值域范圍比地基觀測的大.此外,瓦里關(guān)背景區(qū)的人為擾動很小,這也為高精度地基觀測和衛(wèi)星遙感CO2提供了較好的背景條件.相比而言,番禺氣象局站位于珠三角中心地帶,大氣CO2的來源復(fù)雜,人為擾動大,因此會導(dǎo)致地基觀測的濃度波動范圍高于衛(wèi)星遙感.從表 2中還可以看出,番禺氣象局站的殘差與瓦里關(guān)的相當(dāng),但月均標(biāo)準(zhǔn)差明顯高于瓦里關(guān)站,說明了該地區(qū)衛(wèi)星遙感 CO2的系統(tǒng)誤差高,與何茜等

[22]得出的近海地區(qū)SCIAMACHY CO2柱濃度反演的系統(tǒng)誤差大于內(nèi)陸地區(qū)的研究結(jié)果一致.

圖1 2003年1月～2009年12月瓦里關(guān)本底站觀測的月平均CO2濃度與SCIAMACHY反演結(jié)果的比較Fig.1 Comparison of monthly CO2 in WLG and SCIAMACHY during Jan. 2003 to Dec. 2009

圖2 2004年6月～2005年5月番禺氣象局站觀測的月平均CO2濃度與SCIAMACHY反演結(jié)果的比較Fig.2 Comparison of monthly CO2 in Panyu meteorological site and SCIAMACHY during June 2004 to May 2005

表2 不同觀測站與SCIAMACHY反演結(jié)果的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征Table 2 Statistics parameters of CO2 between observational sites and SCIAMACHY

2.2 廣東區(qū)域?qū)α鲗覥O2濃度的年變化特征

圖3 2003年1月～2009年12月廣東地區(qū)對流層CO2濃度的年平均分布及區(qū)域平均的逐年變化Fig.3 Distribution of tropospheric CO2 in Guangdong regionand its annual mean variations during Jan.2003 to Dec. 2009

由圖 3發(fā)現(xiàn),環(huán)珠江口流域的廣州、佛山、東莞、江門、中山、深圳以及珠海等地市為CO2高值區(qū),這些區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),人口密度高,人類活動的影響顯著,對流層CO2柱濃度達(dá)387×10-6,高于同時(shí)期全球觀測的平均值(381.11×10-6).茂名北部、清遠(yuǎn)北部以及汕尾、揭陽等粵西、粵北、粵東區(qū)域平均濃度低于 383×10-6,其原因一方面由于上述區(qū)域森林覆蓋率較高[37],有利于大氣CO2吸收,另一方面這些區(qū)域人口密度相對較小,工業(yè)活動水平弱,人類活動向大氣排放的 CO2相對較低.就區(qū)域平均來看(圖 3b),2003～2009年期間廣東地區(qū) CO2濃度和年增長率分別為384.84×10-6和 1.53×10-6/a,均高于同時(shí)期全球的平均水平,也高于瓦里關(guān)背景站的觀測值.2.3 廣東地區(qū)對流層CO2濃度的季節(jié)變化

研究發(fā)現(xiàn),北半球大氣CO2明顯的季節(jié)變化與 CO2在大氣和地球生物圈間的交換密切關(guān)聯(lián)

[21].廣東地區(qū)屬南亞熱帶海洋季風(fēng)氣候,該區(qū)域日照充足、溫濕多雨,植被四季常青,植物的光合作用活躍.獨(dú)特的氣候特點(diǎn)顯著影響 CO2濃度的季節(jié)變化.

研究表明,珠三角地區(qū)近地層CO2濃度在夏季最低,冬季最高,春秋季的濃度相當(dāng)[23,38].本研究發(fā)現(xiàn)(圖4),廣東區(qū)域?qū)α鲗覥O2垂直柱濃度最高的季節(jié)出現(xiàn)在春季,與前人[23,38]的近地層濃度觀測結(jié)果有差異,其原因可能是由于春季植物和土壤的呼吸作用強(qiáng)烈而植物的光合作用相對較弱,同時(shí)春季我國中高緯度對流層中層盛行西偏北風(fēng),有利于CO2濃度向低緯度地區(qū)輸送[21],因此春季的CO2柱濃度最高.區(qū)域CO2柱濃度最低的季節(jié)出現(xiàn)在夏季(圖4),與前人研究[23,38]以及我國瓦里關(guān)本底站的地基觀測結(jié)果一致,這主要是由于夏季植物光合碳匯吸收強(qiáng)烈從而降低了大氣中 CO2濃度,此外夏季空氣水平輸送和垂直交換劇烈也有利于 CO2的稀釋擴(kuò)散.秋季植被進(jìn)入成熟衰弱期,光合作用較弱,但仍然表現(xiàn)出較強(qiáng)的碳吸收能力,因此CO2濃度相對較低.冬季相較于秋季,植物光合作用能力最弱,對流層CO2濃度逐漸增加,對春季出現(xiàn)的濃度最高值起累積作用.比較圖4和圖3可以發(fā)現(xiàn),雖然廣東區(qū)域CO2柱濃度在不同季節(jié)間的變化較大,但每個(gè)季節(jié)的區(qū)域分布特征與年均值的類似,即珠江三角洲地區(qū)的濃度最高,而粵北、粵東和粵西地區(qū)的濃度較低.這表明,人類生產(chǎn)、生活活動過程中產(chǎn)生的 CO2是該區(qū)域重要的 CO2來源,而陸地生態(tài)系統(tǒng)光合作用的吸收和轉(zhuǎn)化可能是重要的CO2匯.

圖4 2003～2009年廣東地區(qū)對流層CO2濃度(×10-6)的季節(jié)分布Fig.4 Seasonal distribution of SCIAMACHY CO2 (×10-6)in Guangdong region during 2003～2009

2.4 不同區(qū)域CO2濃度的時(shí)間分布特征

前期研究結(jié)果表明,河源連平站(LP)、揭陽惠來站(HL)、茂名高州站(GZ)以及廣州番禺氣象局站(PYQXJ)可作為廣東省粵北、粵東、粵西和珠三角區(qū)域溫室氣體代表站(數(shù)據(jù)待發(fā)表).

圖5 2003～2009年SCIAMACHY遙感廣東地區(qū)CO2濃度(×10-6)年際變化Fig.5 Interannual variation of SCIAMACHY CO2 (×10-6) in Guangdong region during 2003～2009

由圖5可見,在2003～2004年期間廣東省整 個(gè)區(qū)域的 CO2變化不明顯,濃度均值為 380.30×10-6,2006年以后區(qū)域CO2濃度增長較快,其中廣州、佛山、深圳、東莞、江門、中山、珠海等環(huán)珠三角地區(qū)的濃度增量最高,至2009年時(shí)濃度平均值達(dá) 395.00×10-6,比 2003年提高了大約 10×10-6,同時(shí)呈現(xiàn)向陽江、云浮、肇慶等區(qū)域擴(kuò)散的趨勢.湛江、茂名、陽江、云浮等粵西地區(qū)濃度的增長量與珠三角地區(qū)相當(dāng),2009年比2003年提高了9.80×10-6.此外,韶關(guān)、清遠(yuǎn)、河源、梅州等粵北地區(qū),以及以揭陽為中心的粵東地區(qū)的濃度增長較明顯,CO2增長量分別為 9.44×10-6,9.10×10-6.可見,2003～2009年期間廣東地區(qū)對流層CO2柱濃度逐年上升,各區(qū)域呈現(xiàn)相似的增長趨勢,增長量均超過9.0×10-6,其中以珠三角地區(qū)的增長最明顯.

從各區(qū)域 CO2柱濃度的季節(jié)變化特征來看(圖6),粵北、粵東、粵西和珠三角代表站的濃度均在春、冬季較高,但季節(jié)之間的差異不明顯;夏季和秋季之間的柱濃度差異亦不明顯,但均顯著低于春季和冬季(P<0.05).從相同季節(jié)內(nèi)各代表站的分布來看,春、冬季中4個(gè)代表站的CO2柱濃度相當(dāng),夏、秋季中均以番禺氣象局站的濃度最高,連平站和惠來站最低,但各站間的差異均不明顯(P>0.05).

圖6 不同區(qū)域代表站對流層CO2濃度的分布特征Fig.6 Variations of tropospheric CO2 in regional typical sites of Guangdong

由圖7發(fā)現(xiàn),所有區(qū)域代表站的CO2濃度的差異均不顯著(P>0.05),其中以番禺氣象局站的濃度最高,為385.34×10-6,其余代表站的年均值在384.30～384.70×10-6之間.各區(qū)域代表站對流層CO2柱濃度年的增長率差異均不顯著(P>0.05),其中連平站的增長率最低,為 1.61×10-6/a,這與粵北地區(qū)工業(yè)化相對滯后、森林覆蓋率高有關(guān);番禺氣象局站與惠來站的年增長率相當(dāng),分別為1.65,1.64×10-6/a,可能與這兩個(gè)區(qū)域均處于東南沿海地區(qū),且工業(yè)、人口都比較集中有一定關(guān)系.值得關(guān)注的是,高州站的年增長率達(dá)1.82 ×10-6/a,高于粵北、粵東以及珠三角地區(qū).

圖7 廣東省不同區(qū)域代表站對流層CO2柱濃度的年均值和年增長率Fig.7 Variations of tropospheric CO2in different regional sites in Guangdong region

由圖8可見,從1月份開始,對流層CO2濃度逐步上升,在3、4月份最高,這主要是由于冬季植物光合作用減弱限制了其對大氣CO2的吸收強(qiáng)度,同時(shí)人類大量燃燒化石燃料直接增加了CO2的排放量,并在對流層中不斷累積,在初春時(shí)達(dá)到最高值.5月份以后,對流層 CO2柱濃度顯著降低,在 9月份達(dá)到最低值,這與同時(shí)期植物光合碳匯吸收,以及 CO2濃度水平輸送和垂直交換有直接關(guān)系.10月份以后,植物的光合生理特性開始衰退,對大氣 CO2的吸收能力減弱,因此對流層 CO2濃度明顯上升,并進(jìn)入新一輪增長期.值得關(guān)注的是,每年7～8月份期間對流層CO2濃度出現(xiàn)一個(gè)小高峰,這可能與夏、秋季臺風(fēng)頻繁擾動引起CO2區(qū)域輸送和垂直交換有關(guān),但其機(jī)制仍有待進(jìn)一步研究.

圖8 2003～2009年期間不同區(qū)域代表站對流層CO2濃度的逐月分布Fig.8 Variation of monthly tropospheric CO2 in regional typical sites during 2003～2009

3 結(jié)論

3.1 SCIAMACHY衛(wèi)星產(chǎn)品一定程度上能反映珠三角地區(qū)對流層 CO2分布狀況,反演和觀測的殘差分別為 1.33×10-6,1.29×10-6.

3.2 2003～2009年期間廣東地區(qū)對流層CO2柱濃度最高值出現(xiàn)在春季,最低值出現(xiàn)在夏季,濃度年均值,年增長率分別為384.84×10-6,1.53×10-6/a,大于全球和我國同期的觀測值.

3.3 粵東、粵西、粵北和珠三角區(qū)域代表站的濃度均在春、冬季顯著高于夏季、秋季,但相同季節(jié)內(nèi)各站點(diǎn)之間的差異不顯著.

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