[论文解读] Observing the carbon-climate system

David Schimel, P. J. Sellers+42 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2016

Atmospheric and Environmental Gas Dynamics参考文献 43被引用 4

一句话总结

本文倡导建立下一代基于空间的观测系统，通过解析全球CO2和CH4的高分辨率通量，量化碳-气候反馈。文章指出，当前的地面观测网络在空间和时间覆盖上存在不足，而新兴的卫星技术则展现出变革性潜力，可将温室气体的源和汇归因于特定机制，从而降低气候预测的不确定性。

ABSTRACT

Increases in atmospheric CO2 and CH4 result from a combination of forcing from anthropogenic emissions and Earth System feedbacks that reduce or amplify the effects of those emissions on atmospheric concentrations. Despite decades of research carbon-climate feedbacks remain poorly quantified. The impact of these uncertainties on future climate are of increasing concern, especially in the wake of recent climate negotiations. Emissions, long concentrated in the developed world, are now shifting to developing countries, where the emissions inventories have larger uncertainties. The fraction of anthropogenic CO2 remaining in the atmosphere has remained remarkably constant over the last 50 years. Will this change in the future as the climate evolves? Concentrations of CH4, the 2nd most important greenhouse gas, which had apparently stabilized, have recently resumed their increase, but the exact cause for this is unknown. While greenhouse gases affect the global atmosphere, their sources and sinks are remarkably heterogeneous in time and space, and traditional in situ observing systems do not provide the coverage and resolution to attribute the changes to these greenhouse gases to specific sources or sinks. In the past few years, space-based technologies have shown promise for monitoring carbon stocks and fluxes. Advanced versions of these capabilities could transform our understanding and provide the data needed to quantify carbon-climate feedbacks. A new observing system that allows resolving global high resolution fluxes will capture variations on time and space scales that allow the attribution of these fluxes to underlying mechanisms.

研究动机与目标

• 解决尽管经过数十年研究，碳-气候反馈量化仍存在持续不确定性的难题。
• 通过克服地面监测网络稀疏的局限，改进CO2和CH4源与汇的归因能力。
• 证明高分辨率、基于空间的观测能够解析温室气体通量的时间和空间变化。
• 通过提供量化反馈机制的数据，支持更精确的气候建模与政策制定。
• 回应日益增长的担忧：即排放正从发达国家向碳清单可靠性较低的发展中国家转移。

提出的方法

• 利用先进的基于空间的遥感技术，实现对全球碳储量和通量的监测。
• 将卫星观测与大气反演模型相结合，以高时空分辨率估算地表通量。
• 利用多颗卫星、多台仪器的数据流，提升覆盖范围并降低通量估算的不确定性。
• 应用反演建模技术，将观测到的大气变化归因于特定的源与汇。
• 将地面观测与卫星数据结合，用于验证和校准观测结果。
• 利用长期的大气浓度记录，评估CO2空气份额的趋势与稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于空间的观测如何提升全球碳通量估算的分辨率与准确性？
• RQ2 在经历一段看似稳定期后，是什么机制导致了近期大气CH4浓度的再次上升？
• RQ3 随着时间推移，碳-气候反馈在多大程度上会放大或抑制人为排放？
• RQ4 发展中国家排放清单中的不确定性在多大程度上影响了全球碳预算估算？
• RQ5 在未来气候变化条件下，人为CO2在大气中残留的比例是否会保持恒定？

主要发现

• 过去50年来，人为CO2在大气中残留的比例保持出人意料的稳定，但其未来稳定性仍不确定。
• 近期大气CH4浓度的上升已重新开始，但确切原因仍未知且难以量化。
• 传统的地面观测系统缺乏足够的空间和时间分辨率，无法将温室气体通量归因于特定源或汇。
• 基于空间的技术在以更高分辨率实现全球尺度碳储量与通量监测方面展现出巨大潜力。
• 一种能够解析高分辨率通量的新观测系统，将使通量能够被归因于其背后的驱动机制，从而降低气候预测的不确定性。
• 将卫星数据与大气反演模型相结合，为量化碳-气候反馈提供了一条变革性路径。