鄭景治，龐 皓

(安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001)

1 引言

隨著人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)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(diǎn)。在所有的溫室氣體中，CO2對(duì)溫室效應(yīng)的影響是最大的，全球的快速發(fā)展也導(dǎo)致了CO2的加速排放，化石能源的不斷消耗和人類活動(dòng)的增加都加速了CO2的排放，碳排放的不斷增加導(dǎo)致的溫室效應(yīng)同時(shí)會(huì)帶來一系列的連鎖反應(yīng)，比如北極冰川融化，極端天氣的增多等，本文將從時(shí)間和空間兩個(gè)角度來分析全球CO2的時(shí)空分布特征。

2 數(shù)據(jù)來源

GOSAT是全球發(fā)射的第一個(gè)針對(duì)CO2和CH4為觀測目標(biāo)的衛(wèi)星，其搭載的傅立葉變換光譜儀(FTS)在3個(gè)近紅外(NIR)波段執(zhí)行高光譜分辨率測量。

本文的數(shù)據(jù)采用了GOSAT衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品SWIR L3級(jí)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，SWIR L3級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品是由L2級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品經(jīng)過空間統(tǒng)計(jì)方法估算出的2.5°×2.5°矩形區(qū)域的溫室氣體的混合比數(shù)據(jù)。本文從中選取的是從2009年6月到2019年6月的CO2濃度數(shù)據(jù)。本文的數(shù)據(jù)可以從https://data2.gosat.nies.go.jp/GosatDataArchiveService/usr/download/DownloadPage/view下載。下載的數(shù)據(jù)經(jīng)過篩選剔除了南極周圍(60°S-90°N)之間的區(qū)域。這些區(qū)域的反演結(jié)果較差，存在較大的誤差。

為了驗(yàn)證GOSAT衛(wèi)星L3級(jí)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，將中國瓦里關(guān)大氣本地站點(diǎn)測得的地面觀測數(shù)據(jù)和夏威夷MLO地基站點(diǎn)分別與GOSAT衛(wèi)星數(shù)據(jù)做準(zhǔn)確性的驗(yàn)證。選取2010年6月到2019年12月的瓦里關(guān)站地基數(shù)據(jù)和MLO地基站點(diǎn)數(shù)據(jù)分別與GOSAT衛(wèi)星數(shù)據(jù)做準(zhǔn)確性驗(yàn)證，探究利用GOSAT衛(wèi)星數(shù)據(jù)做全球CO2濃度分布特征分析的可行性。

3 數(shù)據(jù)驗(yàn)證

圖1是使用WLG地基站點(diǎn)數(shù)據(jù)與GOSAT衛(wèi)星數(shù)據(jù)做趨勢分析的結(jié)果。由圖1可知，瓦里關(guān)站測得的近地面數(shù)據(jù)都與GOSAT數(shù)據(jù)具有很好的一致性，與GOSAT數(shù)據(jù)趨勢基本吻合，相關(guān)系數(shù)分別為0.903,二者平均偏差為(+3.1×10-6)。地基站觀測數(shù)據(jù)略高于衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，其主要原因是地基站點(diǎn)離地面較近，而地面則是CO2的“源”“匯”活動(dòng)較頻繁，GOSAT衛(wèi)星測得的數(shù)據(jù)為平均柱濃度數(shù)據(jù)，得到的平均值會(huì)略低于地面測量數(shù)據(jù)。最后得出結(jié)論，GOSAT衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)可以用來分析全球CO2的時(shí)空分布特征

圖1 WLG地基站點(diǎn)數(shù)據(jù)與GOSAT衛(wèi)星數(shù)據(jù)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(duì)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(dòng)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(qū)、美國以及歐洲CO2濃度較高主要因?yàn)樵谥袊睾^(qū)域，屬于人口密集經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。非洲中部地區(qū)CO2濃度較高的主要原因是非洲碳儲(chǔ)量的下降和厄爾尼諾現(xiàn)象導(dǎo)致的嚴(yán)重干旱有直接關(guān)系，而熱帶雨林地區(qū)的人為砍伐也有部分影響。

為了研究CO2濃度在緯向的時(shí)空分布特征，進(jìn)一步計(jì)算了每10°范圍內(nèi)的平均CO2濃度值，將全球分為15個(gè)區(qū)域，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。在這15個(gè)區(qū)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(qū)域最低(393.43×10-6)。年平均增長速率最快的區(qū)域是50°N～70°N(2.37×10-6/a),這個(gè)區(qū)域也是人類排放活動(dòng)最為密集的緯度帶，年平均增長速率最低的區(qū)域是50°～60°S,該區(qū)域絕大部分屬于海洋區(qū)域，碳排放活動(dòng)遠(yuǎn)少于陸地。北半球?qū)α鲗又蠧O2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(xiàn)這樣一個(gè)規(guī)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(duì)流層CO2濃度季節(jié)變化也較為明顯，南半球的中高緯度大部分區(qū)域?yàn)楹Ｑ螅祟惢顒?dòng)稀少，所以變化相對(duì)來說不明顯。

圖2 2009～2020年平均對(duì)流層二氧化碳濃度反演的空間分布

4.2 大氣CO2時(shí)間變化特征

從時(shí)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(jié)和月變化而言，對(duì)流層CO2濃度也呈現(xiàn)出顯著的季節(jié)性特征，春季最高，夏季最低，其次為秋冬季節(jié)，北半球春季CO2的濃度只有0°～10°N，70°～80°N兩個(gè)緯度帶之間沒有達(dá)到400×10-6，南半球春節(jié)CO2濃度普遍在400×10-6以下，春季濃度高的原因主要是因?yàn)榇杭镜年懙刂参锘顒?dòng)頻繁，通過碳源匯功能轉(zhuǎn)換成大氣中的CO2，這也是CO2季節(jié)性波動(dòng)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(xiàn)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(jié)變化也是相反的，在北半球的春季，陸地植被活動(dòng)由于光合作用開始吸收大氣中的CO2，出現(xiàn)碳源到碳匯的轉(zhuǎn)化，大氣中CO2濃度降低，而夏季植被的光合作用最強(qiáng)，大氣中CO2濃度達(dá)到最低，到了秋冬季節(jié)，光合作用逐漸停止，植被活動(dòng)開始由碳匯到碳源的轉(zhuǎn)化，到了冬季大氣CO2濃度達(dá)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(jié)性變化

圖4 北半球2010～2018年CO2季節(jié)性變化

5 結(jié)論

本文利用了GOSAT衛(wèi)星的L3級(jí)插值數(shù)據(jù)研究了全球?qū)α鲗拥腃O2時(shí)空分布特征，主要結(jié)論如下：全球?qū)α鲗覥O2濃度具有顯著的時(shí)空異質(zhì)性，在空間緯度上，呈現(xiàn)北高南低，海洋大于陸地的分布特征，人為排放也是導(dǎo)致CO2濃度升高的主因之一。在時(shí)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(jié)變化上，南北呈現(xiàn)相反的差異。