基于GOSAT卫星数据的CO2全球时空分布特征分析

郑景治，庞 皓

(安徽理工大学，安徽 淮南 232001)

1 引言

随着人类社会经济的发展，环境问题也越来越突出，大气中的温室气体尤其是CO2成为了全球目光的焦点。在所有的温室气体中，CO2对温室效应的影响是最大的，全球的快速发展也导致了CO2的加速排放，化石能源的不断消耗和人类活动的增加都加速了CO2的排放，碳排放的不断增加导致的温室效应同时会带来一系列的连锁反应，比如北极冰川融化，极端天气的增多等，本文将从时间和空间两个角度来分析全球CO2的时空分布特征。

2 数据来源

GOSAT是全球发射的第一个针对CO2和CH4为观测目标的卫星，其搭载的傅立叶变换光谱仪(FTS)在3个近红外(NIR)波段执行高光谱分辨率测量。

本文的数据采用了GOSAT卫星遥感数据产品SWIR L3级的数据产品，SWIR L3级数据产品是由L2级数据产品经过空间统计方法估算出的2.5°×2.5°矩形区域的温室气体的混合比数据。本文从中选取的是从2009年6月到2019年6月的CO2浓度数据。本文的数据可以从https://data2.gosat.nies.go.jp/GosatDataArchiveService/usr/download/DownloadPage/view下载。下载的数据经过筛选剔除了南极周围(60°S-90°N)之间的区域。这些区域的反演结果较差，存在较大的误差。

为了验证GOSAT卫星L3级数据的准确性，将中国瓦里关大气本地站点测得的地面观测数据和夏威夷MLO地基站点分别与GOSAT卫星数据做准确性的验证。选取2010年6月到2019年12月的瓦里关站地基数据和MLO地基站点数据分别与GOSAT卫星数据做准确性验证，探究利用GOSAT卫星数据做全球CO2浓度分布特征分析的可行性。

3 数据验证

图1是使用WLG地基站点数据与GOSAT卫星数据做趋势分析的结果。由图1可知，瓦里关站测得的近地面数据都与GOSAT数据具有很好的一致性，与GOSAT数据趋势基本吻合，相关系数分别为0.903,二者平均偏差为(+3.1×10-6)。地基站观测数据略高于卫星观测数据，其主要原因是地基站点离地面较近，而地面则是CO2的“源”“汇”活动较频繁，GOSAT卫星测得的数据为平均柱浓度数据，得到的平均值会略低于地面测量数据。最后得出结论，GOSAT卫星观测数据可以用来分析全球CO2的时空分布特征

图1 WLG地基站点数据与GOSAT卫星数据趋势分析

4 分析讨论

4.1 大气CO2浓度空间分布特征

图2显示了全球多年(2009年6月至2019年6月)年平均对流层二氧化碳浓度反演的空间分布，图中浓度分布显示出显著的空间差异性，总体来看，北半球CO2浓度明显高于南半球，陆地的CO2浓度明显高于海洋。是由于主要的陆地和人口集中在北半球，碳排放活动较南半球更频繁。2009～2019年CO2浓度都呈上升趋势，从384×10-6上升到410 ×10-6。其中亚洲东部地区、美国以及欧洲CO2浓度较高主要因为在中国沿海区域，属于人口密集经济发达地区。非洲中部地区CO2浓度较高的主要原因是非洲碳储量的下降和厄尔尼诺现象导致的严重干旱有直接关系，而热带雨林地区的人为砍伐也有部分影响。

为了研究CO2浓度在纬向的时空分布特征，进一步计算了每10°范围内的平均CO2浓度值，将全球分为15个区域，并对结果进行了统计分析。在这15个区域中，年平均CO2浓度值在20°～40°N之间最高(397.26×10-6),在40°～60°S区域最低(393.43×10-6)。年平均增长速率最快的区域是50°N～70°N(2.37×10-6/a),这个区域也是人类排放活动最为密集的纬度带，年平均增长速率最低的区域是50°～60°S,该区域绝大部分属于海洋区域，碳排放活动远少于陆地。北半球对流层中CO2浓度年平均值和CO2年均增长速率均高于南半球，并整体呈现这样一个规律，纬度带越高，年均增长速率越高。北半球不同纬度带之间浓度差异相比于南半球更加明显。北半球中高纬度对流层CO2浓度季节变化也较为明显，南半球的中高纬度大部分区域为海洋，人类活动稀少，所以变化相对来说不明显。

图2 2009～2020年平均对流层二氧化碳浓度反演的空间分布

4.2 大气CO2时间变化特征

从时间维度上来看，可以看出全球CO2浓度一直是呈上升趋势的，如图3、图4所示，就季节和月变化而言，对流层CO2浓度也呈现出显著的季节性特征，春季最高，夏季最低，其次为秋冬季节，北半球春季CO2的浓度只有0°～10°N，70°～80°N两个纬度带之间没有达到400×10-6，南半球春节CO2浓度普遍在400×10-6以下，春季浓度高的原因主要是因为春季的陆地植物活动频繁，通过碳源汇功能转换成大气中的CO2，这也是CO2季节性波动的最主要原因。而夏(6,7,8月份)秋(9、10、11月份)两季的南北半球CO2浓度则呈现相反的变化，南半球的夏秋两季CO2浓度总体是高于北半球的。这是由于地理因素所决定的，南北半球季节变化也是相反的，在北半球的春季，陆地植被活动由于光合作用开始吸收大气中的CO2，出现碳源到碳汇的转化，大气中CO2浓度降低，而夏季植被的光合作用最强，大气中CO2浓度达到最低，到了秋冬季节，光合作用逐渐停止，植被活动开始由碳汇到碳源的转化，到了冬季大气CO2浓度达到最高值，而南半球则与北半球变化相反。

图3 南半球2010～2018年CO2季节性变化

图4 北半球2010～2018年CO2季节性变化

5 结论

本文利用了GOSAT卫星的L3级插值数据研究了全球对流层的CO2时空分布特征，主要结论如下：全球对流层CO2浓度具有显著的时空异质性，在空间纬度上，呈现北高南低，海洋大于陆地的分布特征，人为排放也是导致CO2浓度升高的主因之一。在时间维度上，全球CO2浓度呈不断上升趋势，增长率也在不断增加，且纬度越高，增长率越高。在季节变化上，南北呈现相反的差异。