吳瑞麗,汪 巍,丁俊男,李健軍,王曉彥,劉 冰

中國環(huán)境監(jiān)測總站,國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012

全球氣候變化問題舉世矚目,是各國政府和科學(xué)界關(guān)注的重點(diǎn)領(lǐng)域。 為有效應(yīng)對全球氣候變化,我國明確提出將采取強(qiáng)有力的CO2減排政策和措施,提高自主貢獻(xiàn)力度。 2020 年,習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會上指出,我國將力爭在2030 年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰,2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1-2]。 為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),我國將單位國內(nèi)生產(chǎn)總值GDP 的CO2排放下降目標(biāo)作為約束性指標(biāo)納入“十四五”規(guī)劃,確定了單位GDP 能源消耗和CO2排放分別降低13.5%和18%的目標(biāo)[3]。 準(zhǔn)確定量分析全球和區(qū)域尺度CO2排放量和吸收量的空間分布及變化趨勢,是評估我國碳減排政策落實(shí)情況的重要基礎(chǔ)。

定量CO2排放量的方法可以分為“自下而上”法和“自上而下”法2 種。 “自下而上”法基于統(tǒng)計(jì)核算、樣地調(diào)查、通量觀測、生態(tài)系統(tǒng)過程模型等方法對碳源和匯進(jìn)行估算[4];“自上而下”法則使用大氣CO2濃度觀測數(shù)據(jù),通過同化算法及大氣傳輸模型組成的反演系統(tǒng)進(jìn)行估算。 2019年,《IPCC 國家清單指南》改進(jìn)方案中[5]首次提出將大氣濃度觀測數(shù)據(jù)和“自下而上”碳同化反演方法相結(jié)合開展CO2排放清單的校驗(yàn)。 相較于“自下而上”法,“自上而下”法通過引入觀測同化,在一定程度上降低了排放核算的不確定性。

地基CO2濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)是全球和區(qū)域碳模擬與同化反演系統(tǒng)(以下簡稱“碳同化系統(tǒng)”)的重要輸入。 國際層面已建成相當(dāng)規(guī)模的地面綜合碳監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),如世界氣象組織(WMO)建立了全球大氣觀測(GAW)網(wǎng)絡(luò)[6],包含30 個(gè)全球站和400 多個(gè)區(qū)域站,覆蓋了全球 80 多個(gè)國家;全球溫室氣體參考網(wǎng)絡(luò)GGGRN[7]在3 個(gè)國家建立十幾個(gè)溫室氣體監(jiān)測站點(diǎn);歐洲綜合碳觀測系統(tǒng)(ICOS)網(wǎng)絡(luò)[8]建立了涵蓋歐洲 13 個(gè)國家的38個(gè)溫室氣體監(jiān)測站點(diǎn)。 國內(nèi)地面碳監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)持續(xù)發(fā)展,我國氣象部門建設(shè)1 個(gè)全球本底站、6 個(gè)區(qū)域本底站、6 個(gè)衛(wèi)星地面站和46 個(gè)省級站,均進(jìn)行高精度CO2濃度數(shù)據(jù)觀測;環(huán)境部門建設(shè)11個(gè)區(qū)域背景站,并曾在4 個(gè)直轄市、27 個(gè)省會(首府)城市開展了CO2濃度監(jiān)測,2021 年,生態(tài)環(huán)境部選擇16 個(gè)試點(diǎn)城市開展重點(diǎn)行業(yè)、城市和區(qū)域?qū)用娴臏厥覛怏w觀測,在這個(gè)過程中,學(xué)者和技術(shù)人員充分參考了國際上在溫室氣體監(jiān)測方法[9-10]和量值溯源[11]方面的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

為進(jìn)一步利用好碳監(jiān)測評估試點(diǎn)工作的數(shù)據(jù)產(chǎn)出,本文梳理了當(dāng)前常見的全球和區(qū)域碳同化系統(tǒng),重點(diǎn)關(guān)注了不同系統(tǒng)所用模式、同化方法、特點(diǎn)、分辨率和所需觀測數(shù)據(jù)要求,總結(jié)了當(dāng)前模型系統(tǒng)的進(jìn)展和應(yīng)用中需要重點(diǎn)關(guān)注的問題,以期為我國區(qū)域和城市碳源匯定量及CO2濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效利用提供參考。

1 碳同化反演模型發(fā)展歷程與應(yīng)用

1.1 國內(nèi)外發(fā)展歷程

國外全球及區(qū)域碳同化系統(tǒng)開發(fā)工作始于20 世紀(jì)80 年代。 研究人員最初基于二維和三維傳輸模型進(jìn)行全球碳通量的緯向和縱向分布反演,90 年代中后期實(shí)施了大氣示蹤物傳輸模型比較計(jì)劃TRANSCOM[12],該計(jì)劃成為這一階段碳同化系統(tǒng)發(fā)展的里程碑。 TRANSCOM 是國際地圈-生物圈計(jì)劃IGBP 和全球分析、解釋和模擬計(jì)劃GAIM 的一個(gè)特殊項(xiàng)目,其目標(biāo)是量化和診斷反演碳通量的不確定性,這些不確定性主要來源于大氣傳輸模型、選用的大氣CO2濃度觀測數(shù)據(jù)和反演技術(shù)。 TRANSCOM 計(jì)劃將全球分成了22個(gè)大區(qū)域,其中陸地11 個(gè)區(qū)域,海洋11 個(gè)區(qū)域,利用全球背景站的CO2濃度觀測數(shù)據(jù),反演每個(gè)區(qū)域月均的生態(tài)系統(tǒng)碳通量。

進(jìn)入21 世紀(jì),全球碳同化系統(tǒng)得到快速發(fā)展。 國外,2005 年瑞典隆德大學(xué)Marko Scholze 教授開發(fā)了全球碳循環(huán)數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)CCDAS,模擬獲取了1980—2000 年全球碳通量的月變化情況[13]。 2007 年,美國國家海洋和大氣管理局NOAA 開發(fā)了全球CO2觀測和模擬系統(tǒng)Carbon Tracker[14]。 Carbon Tracker 在全球的網(wǎng)格分辨率為3°×2°,時(shí)間步長為周,最新發(fā)布的數(shù)據(jù)集產(chǎn)品為2022 年,提供了2000—2020 年全球地表-大氣碳通量結(jié)果;此外,該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了基于拉格朗日粒子擴(kuò)散模型的碳同化系統(tǒng) Carbon Tracker-Lagrange[15]。 2005 年,歐洲中心基于LMDz 模型開發(fā)了CAMS 碳同化系統(tǒng)[16],采用的同化方法為變分同化;2014 年前后,美國宇航局NASA 團(tuán)隊(duì)開發(fā)了基于GEOS-Chem 模型的CO2通量估算和追因模型系統(tǒng)CMS-Flux[17],采用的同化方法為四維變分同化;其他全球碳同化系統(tǒng)還包括PHILIP 等[18-19]基于GEOS-Chem 開發(fā)的碳同化系統(tǒng)AMES、BAKER 等[20-21]基于PCTM 傳輸模型開發(fā)的碳同化系統(tǒng),上述模型系統(tǒng)均參與了OCO-2 M IP 模型比較計(jì)劃[22],該計(jì)劃提供了2015—2020年全球各國陸地系統(tǒng)CO2通量的多模型反演結(jié)果。 2020 年,學(xué)者們使用6 個(gè)碳同化系統(tǒng)反演開展了歐洲區(qū)域的CO2通量模擬與反演比對計(jì)劃EUROCOM[23],比較了2006—2015 年歐洲區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)-大氣的凈CO2通量變化。

國內(nèi)全球及區(qū)域碳同化系統(tǒng)的開發(fā)研究工作相對較晚,但在近些年得到快速發(fā)展。 在全球碳同化系統(tǒng)開發(fā)方面,2013—2014 年,南京大學(xué)在TRANSCOM 的基礎(chǔ)上將中國區(qū)域進(jìn)一步細(xì)分,構(gòu)建了基于TM 5 模型的嵌套式大氣反演系統(tǒng),開展了2002—2008 年全球43 個(gè)海洋和陸地區(qū)域凈CO2通量的反演工作[24-25];同期,中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所在Carbon Tracker 系統(tǒng)框架基礎(chǔ)上,將嵌套區(qū)域移至東亞,開展了亞洲區(qū)域3°×2°、中國1° × 1° 的CO2通量模擬,建立了Carbon Tracker-China 碳同化系統(tǒng)[26]。 該系統(tǒng)使用大氣傳輸模型TM5,采用集合卡爾曼平滑進(jìn)行同化,同化中增加了中國及其周邊地區(qū)CO2濃度觀測數(shù)據(jù),并基于該系統(tǒng)估算了2001—2010 年中國陸地系統(tǒng)碳匯[27]。

2015 年,南京大學(xué)和北京師范大學(xué)研發(fā)了全球碳同化系統(tǒng)GCAS[28]。 該系統(tǒng)使用了大氣傳輸模式MOZART 和集合卡爾曼濾波同化方法。 相較于Carbon Tracker 系統(tǒng),GCAS 系統(tǒng)采用多個(gè)模型的陸地生態(tài)系統(tǒng)先驗(yàn)碳通量,同時(shí)還將大氣CO2濃度作為1 個(gè)狀態(tài)變量進(jìn)行了優(yōu)化。 南京大學(xué)在GCAS 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,發(fā)布了GCASv2 版本[29],實(shí)現(xiàn)了同化算法、局地化方案等多方面的優(yōu)化升級,并研發(fā)了同化葉綠素?zé)晒釹IF 觀測、優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力GPP 和生態(tài)系統(tǒng)光合作用參數(shù)的模塊[30]。 2014 年,中國科學(xué)院大氣物理所基于先進(jìn)的集合-四維變分同化方法POD-4DVar 建成了全球碳同化系統(tǒng)Tan-Tracker[31],該系統(tǒng)在四維變分同化基礎(chǔ)上,采用集合方法進(jìn)行同化,可實(shí)現(xiàn)碳衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)、地基觀測數(shù)據(jù)、歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)的同化。

在區(qū)域碳同化系統(tǒng)開發(fā)方面,南京大學(xué)和中國科學(xué)院大氣物理所聯(lián)合開發(fā)了CFI-CMAQ 系統(tǒng)[32],該系統(tǒng)使用了大氣化學(xué)模式 RAMSCMAQ,采用的同化方法為集合卡爾曼濾波EnKF、集合卡爾曼平滑EnKS,能夠同化CO2濃度和通量觀測數(shù)據(jù)。 郭立峰[33]開發(fā)了區(qū)域高精度碳同化系統(tǒng)RCAS,系統(tǒng)基于中尺度溫室氣體模式WRF-GHG 開發(fā),實(shí)現(xiàn)了生態(tài)診斷模型 VPRM和中尺度氣象模式WRF 的在線耦合,實(shí)現(xiàn)自然碳通量和人為碳通量的同步優(yōu)化。 魯立江[34]開發(fā)了區(qū)域高分辨率碳同化系統(tǒng)Tracers Tracker,該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了集合-四維變分同化方法POD-4DVar和區(qū)域大氣傳輸模型CMAQ 的耦合。

1.2 碳同化系統(tǒng)的應(yīng)用

已有較多學(xué)者[25,27,29,35-39]開展了全球和區(qū)域尺度碳源匯同化反演研究,在同化系統(tǒng)優(yōu)化、區(qū)域碳通量、陸地碳匯定量、反演不確定性、多模式比較等 多 方 面 開 展 相 關(guān) 工 作。 例 如,MAKSYUTOV[35]估算了2009—2010 年全球CO2月均通量,其研究中耦合了大氣傳輸模型、陸地通量交換模型和海洋通量模擬模型,同化了GOSAT衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù),形成CO2通量同化反演系統(tǒng)。JIANG 等[29]基于全球碳同化系統(tǒng) GCAS 和GOSAT 的CO2柱濃度觀測數(shù)據(jù),反演了2010—2015 年全球CO2通量,結(jié)果表明,同化了GOSAT衛(wèi)星CO2柱濃度資料的GCASv2 系統(tǒng),能夠良好地估算地表碳通量。 DENG 等[36]基于GEOSChem 模型研發(fā)了全球碳同化系統(tǒng),分析了陸地和海洋區(qū)域碳衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)對CO2通量反演結(jié)果的影響。 部分研究機(jī)構(gòu)開展了碳同化反演相關(guān)比較計(jì)劃, 如美國 TRANSCOM 計(jì)劃[12]和歐洲EUROCOM 計(jì)劃[23]。 TRANSCOM 將全球分為22個(gè)區(qū),選擇多個(gè)大氣傳輸模型,開展碳模擬及同化反演的比對,但受限于CO2觀測數(shù)據(jù)較少、分區(qū)較粗和時(shí)間分辨率較長(月/年)等因素,反演時(shí)空分辨率仍較低。 EUROCOM 基于統(tǒng)一的觀測數(shù)據(jù),使用多種大氣化學(xué)傳輸模式和反演方法,模擬比較了2006—2015 年歐洲區(qū)域陸地的碳通量。

對于中國的碳匯情況,PIAO 等[37]結(jié)合清單、衛(wèi)星數(shù)據(jù)和碳反演方法估算了20 世紀(jì)80—90 年代中國陸地生態(tài)系統(tǒng)的凈碳匯量(每年約0.19 ～0.26 Pg ),這個(gè)碳匯量與歐洲地區(qū)陸地系統(tǒng)碳匯量接近,但略低于美國地區(qū)的總碳匯量。 ZHANG等[27]利用Carbon Tracker-China 系統(tǒng)同化反演了中國區(qū)域內(nèi)的碳源匯分布狀況,結(jié)果顯示,中國陸地生態(tài)系統(tǒng)是明顯的碳匯,在2001—2010 年吸收了CO2約0.33 Pg。 JIANG 等[25]利用貝葉斯方法,在TRANSCOM 分區(qū)的基礎(chǔ)上,將中國區(qū)域進(jìn)一步劃分成若干小區(qū),估算了2002—2008 年全球各區(qū)域(含中國)的碳源匯,結(jié)果顯示,全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯呈增長趨勢,中國區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)基本均表現(xiàn)為碳匯。 在此基礎(chǔ)上,JIANG 等[38]利用其碳同化反演模型估算出2006—2009 年中國陸地碳匯為0.33 ～0.35 Pg。

2 碳同化反演系統(tǒng)案例

碳同化系統(tǒng)的分類方法有多種。 例如,按照碳同化系統(tǒng)模擬空間范圍可以將其區(qū)分為全球碳同化系統(tǒng)和區(qū)域碳同化系統(tǒng)2 類;按照反演系統(tǒng)使用的傳輸模式類型,則可以將其區(qū)分為基于歐拉方法的碳同化系統(tǒng)和基于拉格朗日方法的碳同化系統(tǒng)。

本文選取了較為常見的全球碳同化系統(tǒng)Carbon Tracker、GCASv2、Tan-Tracker 和區(qū)域碳同化系統(tǒng)CFI-CMAQ、RCAS、Tracers-Tracker 進(jìn)行模型開發(fā)與構(gòu)成的介紹,并對這些碳同化系統(tǒng)的主要方法、同化技術(shù)等方面進(jìn)行了比較。 通常情況下,全球碳同化系統(tǒng)由大氣輸送模型、生態(tài)系統(tǒng)模型、遙感和監(jiān)測數(shù)據(jù)、同化模型方法和系統(tǒng)集成5個(gè)部分組成。

2.1 全球碳同化系統(tǒng)

2.1.1 Carbon Tracker 及其衍生版本

Carbon Tracker[12]由美國NOAA 開發(fā),在Carbon Tracker 的基礎(chǔ)上,全球不同地區(qū)建立了區(qū)域尺度本地化的碳同化系統(tǒng), 包括 Carbon Tracker-North America, Carbon Tracker-Europe,Carbon Tracker-China 等。

Carbon Tracker 模擬的水平空間分辨率為3°×2°,使用的同化算法為集合卡爾曼濾波系統(tǒng)EnKF,同化觀測數(shù)據(jù)來自美國國家海洋與大氣管理局的大氣觀測網(wǎng)絡(luò)(NOAA ESRL Cooperative Air Sampling Network)。 Carbon Tracker 的同化方法采用了集合卡爾曼濾波方法,實(shí)現(xiàn)了CO2現(xiàn)實(shí)濃度與通量之間的動(dòng)力學(xué)關(guān)聯(lián),使CO2物理、化學(xué)過程盡可能接近真實(shí)狀態(tài),在很大程度上提高了同化反演精度。 Carbon Tracker 支持多源數(shù)據(jù)同化,可同化地基、衛(wèi)星、航測等多源觀測數(shù)據(jù),降低通量反演中的不確定性,不過Carbon Tracker由于觀測數(shù)據(jù)不足,無法很好地優(yōu)化中國區(qū)域的CO2模擬。 Carbon Tracker-China 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了中國區(qū)域的嵌套模擬,加入了中國及周邊地區(qū)CO2觀測數(shù)據(jù), 但 Carbon Tracker-China 系統(tǒng)未針對Carbon Tracker 同化算法的不足進(jìn)行改進(jìn)。

Carbon Tracker-Lagrange[15]是面向北美地區(qū)的基于拉格朗日粒子擴(kuò)散模型的區(qū)域碳同化系統(tǒng)。 該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了Carbon Tracker 數(shù)據(jù)同化框架與拉格朗日大氣擴(kuò)散模型STILT 的耦合,能夠優(yōu)化側(cè)邊界條件和地表通量,支持高塔和飛機(jī)CO2濃度觀測數(shù)據(jù)的同化。 相關(guān)研究表明,基于該系統(tǒng)估算的2010 年北美碳匯量與Carbon Tracker 基于TM5 模型的估算結(jié)果可比。

2.1.2 GCAS

GCAS 系統(tǒng)最初由我國南京大學(xué)和北京師范大學(xué)合作研發(fā),之后南京大學(xué)研發(fā)升級并發(fā)布了GCASv2 版本[29],該版本在同化算法和流程、空間分辨率、局地化方案、同化的觀測數(shù)據(jù)等多方面進(jìn)行了優(yōu)化。

該模型系統(tǒng)基于全球大氣傳輸模式MOZART建立,其同化算法為集合卡爾曼濾波算法EnSRF。為準(zhǔn)確描述陸地生態(tài)系統(tǒng)CO2通量,該系統(tǒng)耦合了遙感驅(qū)動(dòng)的生態(tài)系統(tǒng)模型BEPS。 該系統(tǒng)的空間分辨率為1°×1°,該系統(tǒng)能夠支持地面和衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的同步同化,為解決大量衛(wèi)星數(shù)據(jù)同化引入了超級觀測方案。 此外,系統(tǒng)優(yōu)化過程中,在反演碳通量后使用優(yōu)化通量模擬下一時(shí)次的初始場,以保證反演的穩(wěn)健性。 GCASv2 模型系統(tǒng)參加了日本國立環(huán)境研究所牽頭的第二期基于GOSAT 產(chǎn)品的地表CO2通量反演比較計(jì)劃,該系統(tǒng)模擬輸出的全球凈CO2通量與觀測的平均偏差在所有參與對比系統(tǒng)中最小。

該團(tuán)隊(duì)使用GCASv2 模型系統(tǒng),同化GOSAT和OCO-2 衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù),反演獲取了2009 年5—12 月全球地表CO2通量[40],相應(yīng)數(shù)據(jù)集成果已發(fā)表[41]。 結(jié)果表明,全球5 個(gè)主要的碳排放國/區(qū)域中,俄羅斯已經(jīng)實(shí)現(xiàn)碳中和,美國、歐盟、印度和中國距實(shí)現(xiàn)碳中和仍存在一定距離,2010—2019 年美國和印度的凈CO2通量顯示出增加的趨勢,歐盟趨勢較為穩(wěn)定,中國自2013 年開始呈現(xiàn)小幅下降的趨勢。

2.1.3 Tan-Tracker

Tan-Tracker[31]是由中國科學(xué)院大氣物理所、中國氣象科學(xué)研究院開發(fā),該系統(tǒng)基于GEOSChem 大氣化學(xué)傳輸模式建立,水平網(wǎng)格分辨率為2.0°×2.5°,采用了基于高級混合數(shù)據(jù)同化的雙通道同化方法PODEn4DVAR。

不同于傳統(tǒng)同化系統(tǒng)中包含一個(gè)靜態(tài)同化通道和一個(gè)參數(shù)校準(zhǔn)通道,Tan-Tracker 包含2 個(gè)靜態(tài)同化通道,可以支持濃度和排放同時(shí)作為同化狀態(tài)變量,系統(tǒng)用于同化的觀測數(shù)據(jù)包括ObsPack 和GOSAT 衛(wèi)星的數(shù)據(jù),在格點(diǎn)尺度進(jìn)行同化。

Tan-Tracker 系統(tǒng)同時(shí)也是中國CO2觀測衛(wèi)星TanSat 發(fā)射準(zhǔn)備的一部分,系統(tǒng)能夠同化地面和衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù),此外,該系統(tǒng)將使用地球模擬器提升計(jì)算能力,最終的系統(tǒng)版本能夠?qū)崿F(xiàn)氣象和CO2觀測數(shù)據(jù)的同化。

2.2 區(qū)域碳同化系統(tǒng)

2.2.1 CFI-CMAQ

CFI-CMAQ 模型系統(tǒng)[32]是由南京大學(xué)、中國科學(xué)院大氣物理所聯(lián)合開發(fā)的區(qū)域CO2通量反演系統(tǒng),能夠在網(wǎng)格尺度優(yōu)化地面CO2通量模擬。 該系統(tǒng)基于RAMS-CMAQ 大氣化學(xué)模式建立,分別使用集合卡爾曼濾波EnKF 和集合卡爾曼平滑EnKS,同化CO2濃度和通量觀測數(shù)據(jù),該方法的優(yōu)點(diǎn)是能最大限度地利用CO2濃度觀測資料,得到較好的CO2通量分布。

CFI-CMAQ 模型系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域模式多尺度多過程的動(dòng)態(tài)耦合,解決由城市區(qū)化石燃料排放引起的更精細(xì)尺度上CO2傳輸和變化。 此外,影響CO2時(shí)空分布的各種關(guān)鍵因素如地形、地氣交換通量、傳輸過程等在區(qū)域模式中模擬效果更好。 通過同化GOSAT 的CO2觀測數(shù)據(jù),開展一系列的觀測系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)OSSEs 檢驗(yàn)CFI-CMAQ系統(tǒng)的表現(xiàn),結(jié)果表明,使用EnKS 能夠較好地優(yōu)化CO2通量,且誤差在可接受范圍內(nèi)。

2.2.2 RCAS

RCAS 模型系統(tǒng)為中國科學(xué)院大學(xué)郭立峰[33]開發(fā)的區(qū)域高精度碳同化系統(tǒng)。 該系統(tǒng)基于區(qū)域溫室氣體模型WRF-GHG 開發(fā),實(shí)現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)模型VPRM 和中尺度氣象模式 WRF 的在線耦合,為自然CO2通量和人為CO2通量的同步優(yōu)化提供了可能。 該系統(tǒng)提高了CO2源匯和 CO2濃度反演的時(shí)空分辨率和精度,其反演的區(qū)域CO2通量空間分辨率高達(dá)5 km。 研究表明,同化前后CO2濃度模擬值與 GOSAT 衛(wèi)星柱濃度的相關(guān)性有一定提高。

WRF-GHG 能夠在區(qū)域尺度實(shí)現(xiàn)大氣和陸地生態(tài)系統(tǒng)之間的溫室氣體交換的模擬,同時(shí)考慮大氣擴(kuò)散和輸送等過程對溫室氣體的影響,模擬和預(yù)測溫室氣體在時(shí)間和空間上的分布特征;因此,在區(qū)域碳同化反演中被廣泛應(yīng)用。 例如,PILLAI[42]采用WRF-GHG、生態(tài)系統(tǒng)模型VPRM、貝葉斯反演方法開展了德國柏林市的高分辨城市CO2排放反演。

2.2.3 Tracers-Tracker

Tracers Tracker 是由魯立江[34]開發(fā)的區(qū)域高分辨率碳同化反演系統(tǒng),該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于正交分解的四維變分?jǐn)?shù)據(jù)同化POD4DVar 高效同化算法和區(qū)域大氣傳輸模型 CMAQ 的耦合。POD4DVar 方法用較少的基向量捕捉數(shù)據(jù)的時(shí)空演變特征,克服了傳統(tǒng)四維變分同化方法在開發(fā)和維護(hù)中的困難。

Tracers Tracker 系統(tǒng)可以有效吸收觀測信息,較好地消除先驗(yàn)通量中的誤差,提高后驗(yàn)?zāi)M的準(zhǔn)確性。

2.3 模型系統(tǒng)比較及表現(xiàn)評估

表1 中總結(jié)了上述常見的全球及區(qū)域尺度碳同化系統(tǒng)的組成、同化方法、模擬空間分辨率及主要特點(diǎn)等信息。 從模型組成看,相較于使用固定的陸地生態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù),耦合了生態(tài)系統(tǒng)模型的模型系統(tǒng),可幫助提升碳同化反演的準(zhǔn)確性。 從同化方法來看,多種同化方法被采用,包括集合卡爾曼濾波、四維變分等。 從空間分辨率來看,上述模型系統(tǒng)在全球和區(qū)域應(yīng)用中較高的模擬分辨率分別為1°×1°和5 km×5 km。

表1 常見全球和區(qū)域尺度碳同化系統(tǒng)Table 1 The common global and regional scale carbon assimilation inversion model systems

從同化用觀測數(shù)據(jù)來看,已有模型系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)地基和衛(wèi)星多源觀測數(shù)據(jù)同化的雙重功能,部分模型系統(tǒng)則是使用衛(wèi)星和地基觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)同化;過去研究中發(fā)現(xiàn),同化中使用的觀測數(shù)據(jù)對反演結(jié)果具有顯著的影響,對于觀測數(shù)據(jù)的篩選和質(zhì)控需密切關(guān)注。 從背景CO2濃度條件來看,部分模型系統(tǒng)通過嵌套模擬提供邊界輸入,部分模型系統(tǒng)使用已有全球系統(tǒng)的輸出結(jié)果,2 種方法均可取,但需注意背景CO2濃度數(shù)據(jù)的可靠性。

對于特定的反演需求,研究人員需根據(jù)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)條件、反演目標(biāo)選用合適的模型系統(tǒng),并預(yù)先了解系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、誤差來源、對輸入數(shù)據(jù)的要求,降低人為引入的誤差。 在區(qū)域碳同化反演應(yīng)用中,推薦使用獨(dú)立觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行模型表現(xiàn)的多方面校驗(yàn)。 若條件允許,可以使用2 種以上的模型系統(tǒng)開展碳同化反演工作。

碳同化反演系統(tǒng)的不確定性來源于大氣傳輸模型、反演方法、觀測數(shù)據(jù)選擇、先驗(yàn)通量約束等多個(gè)方面,研究中常使用觀測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比,來評估模型系統(tǒng)的表現(xiàn)。

這里收集了2 個(gè)代表性模型系統(tǒng)的表現(xiàn)評估情況進(jìn)行展示,供其他研究者參考。 JIANG 等[40]評估了基于GCASv2 模型系統(tǒng)的模擬結(jié)果,發(fā)現(xiàn)先驗(yàn)?zāi)M的CO2濃度與全球11 個(gè)站點(diǎn)觀測濃度的斜率介于0.69 ～0.95 之間,僅有3 個(gè)站點(diǎn)超過0.9,而后驗(yàn)?zāi)M的CO2濃度與觀測濃度之間的斜率介于0.82 ～1.1 之間,僅有1 個(gè)站點(diǎn)低于0.9,后驗(yàn)?zāi)M的CO2濃度與觀測吻合更好;從相關(guān)性和平均偏差來看,結(jié)論也較為相似;上述結(jié)果表明,反演后的后驗(yàn)?zāi)MCO2與觀測吻合更好,準(zhǔn)確性有明顯提高。 ZHANG 等[45]評估了基于Carbon-Tracker China 模型系統(tǒng)模擬的2006—2010 年逐月CO2模擬表現(xiàn),發(fā)現(xiàn)在北緯32 ～40°、136 ～144°區(qū)域內(nèi),在475 ～525、375 ～425、225 ～275 hPa 垂直高度的后驗(yàn)?zāi)M結(jié)果與觀測的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.95、0.94 、0.93,均在0.9 以上,后驗(yàn)?zāi)M結(jié)果與瓦里關(guān)背景站觀測數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.87,整體表現(xiàn)較好。

3 結(jié)論

全球碳同化系統(tǒng) Carbon-Tracker、 Carbon Tracker-Lagrange、GCASv2、Tan-Tracker,以及區(qū)域碳同化系統(tǒng)CFI-CMAQ、RCAS、Tracers-Tracker,為了解全球及區(qū)域尺度陸地碳通量變化、碳匯量變化、碳排放量變化提供了可靠技術(shù)手段,并在全球、東亞、中國等碳源和匯估算中得到廣泛應(yīng)用。

碳同化系統(tǒng)發(fā)展過程中,學(xué)者們針對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量定量、同化方法優(yōu)化和效率提升方面取得了快速進(jìn)步,但仍存在不足;為更好地發(fā)揮碳同化系統(tǒng)在雙碳領(lǐng)域中的應(yīng)用和支撐作用,仍需在以下方面持續(xù)發(fā)展和探索。 首先,碳同化系統(tǒng)所需輸入數(shù)據(jù)方面,先驗(yàn)人為排放清單數(shù)據(jù)存在一定滯后性,獲取近實(shí)時(shí)、較高分辨率的先驗(yàn)CO2人為排放清單存在困難;同化過程中,衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)被廣泛使用,但在衛(wèi)星數(shù)據(jù)缺乏的區(qū)域,連續(xù)的、可靠的地面CO2監(jiān)測數(shù)據(jù)仍較為缺乏,難以滿足碳同化反演的數(shù)據(jù)要求,亟需進(jìn)一步提高多源CO2監(jiān)測數(shù)據(jù)的豐富性、準(zhǔn)確度和可獲取性。 其次,碳同化系統(tǒng)應(yīng)用研究方面,已有部分學(xué)者針對全球區(qū)域和歐洲開展了多模式碳同化反演的對比研究,但對于中國不同省份仍缺少基于多模型系統(tǒng)的碳同化反演比較工作,缺少對不同模型系統(tǒng)差異性的系統(tǒng)認(rèn)識,未來有必要開展基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)集輸入條件下中國區(qū)域碳同化反演的比對工作,以期更好地支撐全球氣候變化應(yīng)對。 最后,系統(tǒng)本身的技術(shù)方法方面,仍需在傳輸模式優(yōu)化、同化方法改進(jìn)、觀測數(shù)據(jù)代表性和選用等多方面持續(xù)探索,以期進(jìn)一步降低區(qū)域碳同化反演的不確定性。