碳通量

8月15日，记者从中国科学院大气物理研究所获悉，基于我国第一颗全球二氧化碳监测科学实验卫星中国碳卫星的大气二氧化碳含量观测数据，来自该所等单位的研究人员利用先进的碳通量计算系统，获取了中国碳卫星首个全球碳通量数据集。这是一个里程碑式的结果，标志着我国具备了全球碳收支的空间定量监测能力，是国际上继日本、美国之后的第三个具备该技术的国家。相关研究成果在线发表于《大气科学进展》杂志。 二氧化碳是地球大气的重要组成部分，因其会产生较强的温室效应，被认为是造成气候变化的关键原因。为减缓二氧化碳过度排放造成的气候变化，1992年以来，《联合国气候变化框架公约》逐步对各国碳排放状态加强约束。《巴黎协定》提出，2023年起，每五年进行一次全球盘点的计划，以评估各国的实际行动在减缓气候变化中的贡献。　　“随着大气探测和模型模拟技术的飞速发展，通过大气二氧化碳浓度观测溯源碳排放的方法，被认为是评估温室气体减排成果的有效方法。”中科院大气所副研究员杨东旭说。　　大气二氧化碳浓度测量法依赖于观测和模拟。在观测方面，卫星遥感由于特殊的观测地点和方式，可以在二氧化碳全球观测中发挥较大作用，特别是在全球覆盖高分辨率的观测上，能够做到看得广、看得清；而模拟则主要是通过大气输送模型，利用高性能计算机，模拟出大气二氧化碳传输过程和每一个时刻、每一个地方大气二氧化碳的含量。　　为了观测大气中的二氧化碳浓度，日本于2009年成功发射了国际上第一颗温室气体专用探测卫星GOSAT，美国OCO-2紧随其后，于2014年发射升空。2016年12月22日，中国碳卫星在酒泉卫星发射基地成功发射升空并在轨运行，成为国际第三颗温室气体卫星，其目标是实现对全球大气二氧化碳浓度的高精度监测，为碳排放科学研究提供卫星资料。　　“有了自己的碳卫星以后，对于某一个时刻、某一个地方的二氧化碳含量，我们会得到一个观测值和一个模拟值。这两个数据必然会存在差异。为了减小误差，我们会使用‘数据同化’法，得到最接近真实的数值。”杨东旭说。　　这项研究中，研究人员将碳同化系统与全球化学输送模式相结合，成功同化卫星观测数值与模拟数值，得到了最接近真实情况的数值。研究结果表明，与先验通量相比，不确定度减少了30%—50%。　　更重要的是，利用中国碳卫星观测资料，科研人员估算了2017年5月至2018年4月共12个月的全球陆地碳净通量。估算结果与利用日本GOSAT卫星和美国OCO-2卫星资料的估算结果大体一致。这表明我国首颗碳卫星具有了全球碳通量监测的能力。　　对此，杨东旭表示，中国碳卫星是我国第一代温室气体监测专用卫星，实现了空间温室气体高精度监测的从无到有，迈开了重要且艰难的第一步。未来，我国将以碳卫星的研究成果为基础，研发新一代的温室气体监测卫星，服务于全球和我国双碳目标的实现。

01背景通量观测是定量描述土壤-植被-大气间物质循环和能量交换过程的基础。涡度相关技术作为直接测量植被冠层与大气间能量与物质交换通量的技术手段，已经逐步发展成为国际通用的通量观测标准方法。随着涡度相关技术在全球碳水循环研究中的广泛应用，长期连续的通量观测正在为准确评价生态系统碳固持能力、水分和能量平衡状况、生态系统对全球气候变化的反馈作用、区域和全球尺度模型的优化与验证、极端事件对生态系统结构与功能影响等方面的研究提供重要数据支撑和机制理解途径。兰州大学泛第三极环境中心立足第三极，联动南北极，研究三极极端环境多圈层物质与能量循环过程及其与气候环境变化的耦合机制，揭示全球变化对生态系统关键过程、生态安全和人类健康的影响，服务国家重大战略决策和经济社会可持续发展。涡动相关是陆地生态系统下垫面碳水通量研究的主要技术，实际应用中需要专业的理论基础，理想数据获取需要丰富的实践经验。为不断提升野外通量观测和研究的能力，兰州大学泛第三极环境中心联合北京理加联合科技有限公司，定于2023年3月10日在兰州举办陆地生态系统碳水通量观测理论与技术交流研讨会。02交流目的面向广大通量观测研究人员，开展以涡动相关、大孔径闪烁仪等方法为代表的通量观测研究中的基础理论、仪器组成、设备安装运维、数据分析处理及应用等方面的技术与方法交流，提升野外台站的观测技术水平。03交流内容1.熟悉涡动相关的气象学基础理论与仪器测量原理；2.掌握涡动相关数据的处理、质量评价及分析应用；3.交流不同尺度和方法的通量观测研究新进展；4.讲解涡动相关仪、大孔径闪烁仪等的工作原理以及操作方法；5.多站点观测网络的数据综汇与站点运维；04交流方式1.基础理论讲述2.专题形式讲解3.数据处理实践4.设备现场操作5.问题讨论答疑05交流时间及地点1.交流时间：2023年3月10日2.交流地点：兰州萃英大酒店（兰州大学会议中心）802会议室3.交流方式：现场与线上相结合06其他注意事项本次交流不收取费用，并提供材料和交流期间的午餐券，其它餐食和住宿请自理；07日程安排奖品一览08组织单位兰州大学泛第三极环境中心北京理加联合科技有限公司09联系人刘军志：liujunzhi@lzu.edu.cn阚颖欣：kanyingxin@li-ca.com；1391012401210报名方式此次交流培训为线下+线上同时进行，可在报名表中进行选择报名方式微信搜索关注“理加联合”公众号，回复“报名”，填写报名表单即可

NASA碳监测系统BlueFlux行动——Picarro助力红树林蓝碳通量的多尺度观测江苏海兰达尔 2023-06-09 12:24 发表于江苏原文链接：https://doi.org/10.1101/2022.09.27.50975301蓝碳和红树林蓝碳是气候缓解战略的关键组成部分，该战略旨在通过沿海和开放海洋碳封存以降低大气二氧化碳浓度。在全球范围内，蓝碳有助于《巴黎协定》目标的达成，将全球平均气温上升幅度控制在远低于2℃以内，并实现温室气体净零排放。从蓝碳的角度来看，红树林生态系统非常有意义，因为它们是地球上最具生产力的生态系统之一，净初级生产力（NPP）在1000~2000gCm-2yr-1。虽然它们只占地球陆地面积的一小部分，但为全球NPP贡献了约210TgCyr-1。这些碳中的大部分储存在生物中或封存在土壤沉积物中，根据最近的激光雷达和雷达测量估计，红树林的总碳储量约为5.03PgC。这些碳储量只集中在几个关键的生物地理区域，例如，有10个国家占总碳储量的70%以上，这就意味着在国家范围内，红树林碳管理可以在国家层面制定的缓解气候变化策略上发挥重要作用。02BlueFlux行动2020年，美国航空航天局碳监测系统（NASA CMS）为建立BlueFlux行动提供了支持，目的是开发原型CO2和CH4产品以了解红树林的修复和保护情况。BlueFlux野外观测行动旨在提供横跨佛罗里达南部和加勒比地区的CO2和CH4通量的综合测量，重点是红树林系统，它们的季节性动态，以及邻近的生态系统，比如广阔的锯草沼泽以及其中的树木“岛屿”。这些通量测量覆盖了从“健康”的红树林到近期受到干扰和濒死的红树林“鬼森林”，来帮助了解在损失和恢复过程中碳通量的任何方向性变化。BlueFlux将有助于量化蓝碳如何减缓气候变化，并帮助减少红树林碳循环时空成分的不确定性。BlueFlux行动的目标示意图现场地面和飞机测量的目标区域在美国境内，在佛罗里达南部的核心地区，对碳储量和通量进行测量，以了解物种、干扰、水文和气候梯度如何解释通量变化。该行动计划在2022~2024年间进行6次现场观测，测量手段包括：1）对生态系统结构、物种以及腔室通量的地面测量，2）高塔通量测量，3）飞机测量，4）卫星遥感。墨西哥湾研究区域03地面测量：土壤和植被通量的腔室测量2022年3月，BlueFlux的第一次现场行动在大沼泽地国家公园进行，分别对两个高度退化和两个完整/再生的森林场地的树木，根系和土壤CO2和CH4通量进行了测量。根据植物的形态以及土壤沉积物成分的不同使用了不同的气室，CO2和CH4浓度的测量使用Picarro G4301 GasScouter 移动气体分析仪，测量频率为1Hz。静态气室法测量生态系统成分通量的示意图以及相应气室设计的照片04地面测量：水化学为了捕捉佛罗里达大沼泽地红树林水域的水-空气温室气体交换及其变化，于2022年3月进行了一项为期3天的空间调查，方法为驾驶一艘游艇从库特湾出发，沿乔河到鲨鱼河再到塔彭湾，然后返回，同时测量pH值，水温，盐度，CO2、CH4和N2O浓度以及CO2和CH4稳定同位素。地表水样从约0.5米深处连续泵送到由“淋浴头”平衡器组成的船载装置，该平衡器通过闭合空气回路连接到两台气体分析仪，Picarro G2201-i和Picarro G2308。使用校准的多参数探测器每分钟测量一次地表水电导率（EC）、溶解氧（DO）、温度、pH和有色可溶性有机物（CDOM）。同时定期收集过滤的无菌离散样品，并在耶鲁大学实验室内用于分光光度计pH、溶解无机碳（DIC）和总碱度（Talk）的测量。05机载涡流协方差通量测量：CARAFE机载涡流协方差（AEC）是一种公认的用于量化痕量气体和能量的地表-大气交换的技术。当与小波变换相结合时，AEC可以表征模型相关尺度（1-100km）下通量的空间梯度，是对地面观测数据很好的一种补充。Blueflux AEC观测采用了动态航空公司驾驶的配备气象和微量气体传感器的Beechcraft King Air A90飞机，并进行了CArbon大气通量实验（CARAFE）。由Aventech公司的AIMMS-20测量系统提供10 Hz的3D风速、空气温度、飞机位置和飞机方位（俯仰/翻转/偏航）观测。该系统包括一个用于气象测量的探测器（安装在左翼下方），该探测器与高分辨率差分GPS和惯性导航系统相结合。环境空气通过安装在右翼下方的进气口进行采样，并通过（机翼中的）聚四氟乙烯管传输到机舱中的两台气体分析仪。其中Picarro G2401-m机载专用气体浓度分析仪提供0.5Hz的CO2、CH4、H2O和CO测量值，而Picarro G2311-f双模式高精度气体分析仪提供10Hz的CO2和CH4测量值。G2401-m包含用于机载操作的专用压力控制系统，因此可对气体摩尔分数进行精准测量，而G2311-f可提供AEC所需的快速时间响应。CO2和CH4的干空气摩尔分数在实验室中使用NOAA WMO的压缩标准气体进行两点校准。下图为2022年4月进行的航测飞行轨迹，这些飞行测量重点关注佛罗里达南部和东部的沿海红树林植被，同时也包括一些内陆森林和湿地。每次飞行时间在2.5~4.5小时，典型的海拔高度为地平面以上100m，偶尔会进入到混合层（200-800m）,以确定垂直通量散度和修正。在100米的高度，预计通量足迹大约为5000米宽，对于5~10m s-1的典型表面风速，50%的通量在1000米内，90%在5000米内。CO2的通量范围在0~-40μmol m-2 s-1，CH4的通量范围在0~200μmol m-2 s-1。总的来说，在4月的野外航测中，锯草的甲烷通量似乎更高，红树林的二氧化碳吸收量更大，接下来的飞行测量将继续探索季节和年际变化。BlueFlux AEC航测的飞行路线06预期结果目前“蓝碳”评估的不足之一是，人们考虑了碳存储量，但往往忽略了非二氧化碳温室气体的排放，这可能会极大地影响（积极或消极）这些生态系统的总体净辐射强迫效应。红树林是潮间带生态系统，虽然这些生态系统是净自养的，但小海湾和沉积物通常是大气中CO2和CH4的来源，也可以作为N2O的源或汇。沿着潮汐高度梯度（从小海湾到森林盆地），红树林覆盖率、物种多样性和沉积物结构会发生显著变化，导致温室气体通量的空间变异性很大。红树林温室气体通量的站点间变化会进一步受到各种其他因素的驱动，包括区域气候、水文、地貌、物理化学、生物，生物地球化学和人为因素等。BlueFlux行动旨在收集红树林结构和温室气体通量多尺度测量的详细信息，利用激光雷达或雷达等手段，掌握森林结构和地形信息，捕捉土壤、水文和扰动梯度。网格化碳通量产品将为评估过去二十年温室气体通量的趋势及其空间模式提供基础，以应对不断变化的气候以及极端气候的出现。编辑人：陆文涛审核人：史恒霖