[논문 리뷰] Low latency carbon budget analysis reveals a large decline of the land carbon sink in 2023

Piyu Ke, Philippe Ciais외 14명|arXiv (Cornell University)|2024. 07. 17.

Atmospheric and Environmental Gas Dynamics인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 2023년에 전 세계 육상 탄소 흡수원이 급격히 감소했음을 밝혀내며, 순 흡수량은 단지 0.44 ± 0.21 GtC yr⁻¹에 그쳐 2003년 이후로 가장 낮은 수준이 되었으며, 이는 주로 아ما존, 캐나다, 동남아시아에서 발생한 극단적인 가뭄과 산불로 인한 것이며, 화석 연료 배출량이 단지 0.6% 증가한 것에도 불구하고 그렇다. 위성 자료, 대기 역행(OCO-2), 그리고 동적 식생 모델을 통합한 저지연 탄소예산 프레임워크를 사용하여 분석한 결과, 기후 시스템의 극단적 고온 스트레스와 엘니뇨 조건이 생태계 탄소 손실의 주요 원인으로 규명되었다.

ABSTRACT

In 2023, the CO2 growth rate was 3.37 +/- 0.11 ppm at Mauna Loa, 86% above the previous year, and hitting a record high since observations began in 1958, while global fossil fuel CO2 emissions only increased by 0.6 +/- 0.5%. This implies an unprecedented weakening of land and ocean sinks, and raises the question of where and why this reduction happened. Here we show a global net land CO2 sink of 0.44 +/- 0.21 GtC yr-1, the weakest since 2003. We used dynamic global vegetation models, satellites fire emissions, an atmospheric inversion based on OCO-2 measurements, and emulators of ocean biogeochemical and data driven models to deliver a fast-track carbon budget in 2023. Those models ensured consistency with previous carbon budgets. Regional flux anomalies from 2015-2022 are consistent between top-down and bottom-up approaches, with the largest abnormal carbon loss in the Amazon during the drought in the second half of 2023 (0.31 +/- 0.19 GtC yr-1), extreme fire emissions of 0.58 +/- 0.10 GtC yr-1 in Canada and a loss in South-East Asia (0.13 +/- 0.12 GtC yr-1). Since 2015, land CO2 uptake north of 20 degree N declined by half to 1.13 +/- 0.24 GtC yr-1 in 2023. Meanwhile, the tropics recovered from the 2015-16 El Nino carbon loss, gained carbon during the La Nina years (2020-2023), then switched to a carbon loss during the 2023 El Nino (0.56 +/- 0.23 GtC yr-1). The ocean sink was stronger than normal in the equatorial eastern Pacific due to reduced upwelling from La Nina's retreat in early 2023 and the development of El Nino later. Land regions exposed to extreme heat in 2023 contributed a gross carbon loss of 1.73 GtC yr-1, indicating that record warming in 2023 had a strong negative impact on the capacity of terrestrial ecosystems to mitigate climate change.

연구 동기 및 목표

• 화석 연료 배출량 증가 폭이 미미한 상황에서 3.37 ppm yr⁻¹의 기록적인 CO2 증가율을 보인 2023년의 전 세계 탄소예산을 저지연 방법을 활용해 신속히 평가하여 원인을 규명하는 것.
• 특히 열대 및 고위도 지역에서의 육상 탄소 흡수원의 역사적으로 전례 없는 약화 배경을 규명하는 것.
• 지역별 탄소 순환 이상을 위해 상향식(대기 역행)과 하향식(식생 모델, 산불 배출량) 추정치를 조율하는 것.
• 극단적인 기후 사건—특히 가뭄, 폭염, 산불—이 2023년 육상 탄소 흡수에 미친 영향을 정량화하는 것.
• 엘니뇨와 라니냐와 같은 기후 모드가 2023년 전환기에 육상 및 해양 탄소 흡수원에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 다양한 데이터 스트림과 모델을 통합한 저지연 탄소예산 프레임워크를 활용하여 신속하고 일관된 탄소 순환 추정치를 도출하였다.
• OCO-2 위성 대기 CO2 측정치와 대기 역행 시스템을 조합하여 상향식 지역 탄소 순환을 유도하였다.
• 동적 글로벌 식생 모델(DGVMs)과 위성 기반 산불 배출량 데이터를 활용하여 하향식 육상 탄소 순환을 추정하였다.
• 해양 생물지구화학 모델의 에뮬레이터와 데이터 기반 해양 순환 추정치를 적용하여 전 세계 탄소예산을 완성하였다.
• 역사적 일관성(2015–2002년)을 기반으로 지역별 순환 이상을 상향식과 하향식 접근법 간 검증하였다.
• 기후 생태계 생산성과 연계된 온도 이상 데이터를 활용하여 극단적 고온 사건이 총 탄소 손실에 기여하는 정도를 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 화석 연료 배출량이 단지 0.6% 증가한 상황에서 2023년에 3.37 ppm yr⁻¹의 기록적인 CO2 증가율이 발생한 원인은 무엇인가?
• RQ2 2023년 육상 탄소 흡수원은 이전 추세와 비교해 어떻게 변화했으며, 그 감소의 지역적 원인은 무엇이었는가?
• RQ3 극단적인 가뭄, 산불, 고온 스트레스가 육상 탄소 흡수의 약화에 얼마나 기여했는가?
• RQ4 2023년 라니냐에서 엘니뇨로의 전환은 열대 및 고위도 지역의 탄소 순환에 어떤 영향을 미쳤는가?
• RQ5 2023년에 상향식(대기 역행)과 하향식(식생 모델, 산불 배출량) 탄소 순환 이상 추정치는 얼마나 일관된가?

주요 결과

• 2023년 전 세계 육상 탄소 흡수원은 0.44 ± 0.21 GtC yr⁻¹로, 2003년 이후로 가장 낮은 수준이었으며, 이는 육상 탄소 흡수 능력이 심각하게 떨어졌음을 시사한다.
• 아마존 지역은 2023년 후반에 심각한 가뭄으로 인해 탄소 손실 0.31 ± 0.19 GtC yr⁻¹을 기록했으며, 이는 전 세계 흡수원 감소의 주요 원인이다.
• 캐나다의 극단적 산불 배출량은 0.58 ± 0.10 GtC yr⁻¹에 달했으며, 이는 북방 지역의 탄소 흡수원을 크게 둔화시켰다.
• 동남아시아는 가뭄과 토양 유기질 연소로 인해 탄소 손실 0.13 ± 0.12 GtC yr⁻¹을 기록했다.
• 20°N 이북의 육상 흡수원은 반으로 감소하여 1.13 ± 0.24 GtC yr⁻¹로 줄었으며, 이는 고위도 생태계의 탄소 흡수 능력 감소를 반영한다.
• 2023년 극단적 고온은 고온 스트레스를 받은 지역에서 총 탄소 손실 1.73 GtC yr⁻¹을 유발했으며, 이는 생태계가 극단적 기후 변화에 얼마나 취약한지를 보여준다.