学术研究报告：2020-2021年北美西南部干旱与野火期间卫星探测的大规模CO₂释放

一、研究团队与发表信息

本研究由Hui Chen（中国地质大学（北京）信息工程学院）、Wei He（南京大学国际地球系统科学研究所/浙江工业大学碳中和创新研究院）等16位来自中国、法国、德国、美国、印度等多国研究机构的学者合作完成，于2024年4月30日发表于环境科学领域期刊《Environmental Research Letters》（Volume 19, Issue 5, 054047）。

二、研究背景与目标

科学领域：本研究属于全球碳循环与气候变化的交叉领域，聚焦极端气候事件对陆地碳汇的干扰机制。

背景与动机：
北美西南部（Southwestern North America, SWNA）在2020-2021年经历了罕见的“特大干旱”（megadrought）与大规模野火事件。尽管已有研究关注干旱对光合作用（GPP）的影响，但缺乏对陆地净碳收支（Net Biome Production, NBP）的综合量化。传统自下而上的生态系统模型存在较大不确定性，而大气CO₂反演（atmospheric inversion）可通过观测数据提供更客观的碳通量约束。

研究目标：
1. 量化干旱与野火对SWNA地区陆地碳收支的影响；
2. 解析不同碳循环过程（GPP、呼吸作用、野火排放）的贡献；
3. 评估不同生态系统类型（森林、草地、灌木等）的响应差异。

三、研究方法与流程

1. 数据来源与模型集成

研究整合了多源数据与模型：
- 大气CO₂反演：基于OCO-2卫星的柱浓度XCO₂反演（OCO-2 v10 MIP扩展项目），包含8个独立模型的集合（如NASA Ames、CAMS、GCASv2等），分别同化三种数据：
- IS：地面CO₂站点观测
- LN/LG：OCO-2天底（nadir）与耀斑（glint）模式XCO₂数据
- LN/LG+IS：联合同化
- 辅助数据：
- GPP：结合GOSIF GPP（基于太阳诱导荧光SIF）与FluxSat GPP（基于MODIS反射率）
- 野火CO₂排放：融合GFEDv4（燃烧面积法）与FEERv1（火辐射功率法）
- 气候与植被指标：ERA5气象数据、GLEAM土壤水分、GLASS植被吸收光合有效辐射（FAPAR）等

2. 碳通量分解与异常计算

采用以下公式分解NBP组分：
[ \text{NBP} = \text{GPP} - R{\text{eco}} - \text{BB} ]
其中：
- ( R{\text{eco}} )（生态系统呼吸）= GPP - NBP - BB
- 异常值以2015-2019年为基线计算

3. 生态系统类型分析

基于MODIS土地覆盖数据将SWNA划分为森林（4.06%）、灌木（17.14%）、草地（49.61%）和农田（2.68%），量化各类型对碳损失的贡献。

四、主要结果

1. 干旱与野火的协同影响

• 碳损失规模：卫星反演（LN/LG）显示2020-2021年SWNA碳损失达95.07±60.6 Tg C，超过该地区年均碳汇的80%。
  
• 年际差异：
  
  • 2020年：野火排放（BB）主导（68.73 Tg C），占碳损失的75%；
    
  • 2021年：干旱抑制碳吸收（GPP下降）的影响更大。
    

2. 碳循环过程响应

• GPP与呼吸作用的非对称抑制：干旱期间，呼吸作用（( R_{\text{eco}} )）的下降幅度（-230.41至-160.52 Tg C）大于GPP（-158.8 Tg C），导致净生态系统生产力（NEP）意外增加（图3）。这一现象在部分通量塔数据（如US-Var、US-Wjs站点）中得到验证。
  
• 野火排放的空间分布：森林与草地的野火排放分别占总损失的44%与52%，而灌木和农田的碳损失主要源于NEP下降。
  

3. 气候驱动因素

• 水文干旱持续：土壤水分（SM）异常在2020年夏季至2021年夏季持续负偏差（图1c），与降水减少（2020年降水下降43%）和高温热浪协同作用。
  
• 植被响应：FAPAR与GPP在2020年9月和2021年5-6月出现最低值（图2a-b），与NBP的骤降同步。
  

五、结论与意义

科学价值：
1. 方法创新：首次联合多卫星反演与地面数据，量化了复合极端事件（干旱+野火）对区域碳收支的影响；
2. 机制揭示：明确了野火排放与干旱胁迫对碳损失的差异化贡献，并发现呼吸作用抑制对NEP的补偿效应；
3. 政策启示：强调未来需加强干旱易发区的生态系统恢复力，以应对气候变暖下的碳汇波动。

应用价值：
研究建立的“多平台观测-模型协同”框架可为全球其他地区的碳循环极端事件分析提供范式。

六、研究亮点

1. 数据融合：创新性地整合OCO-2 XCO₂、SIF驱动的GPP及多源野火排放数据，提高了碳通量估算的鲁棒性；
   
2. 过程解析：揭示了干旱期中呼吸作用比光合作用更敏感的生态生理机制；
   
3. 区域特异性：首次量化了SWNA不同生态系统（如灌木与草地）的碳损失贡献比例。
   

七、其他发现

• 模型差异：卫星反演（LN/LG）的碳损失估值比地面反演（IS）高3倍，可能与XCO₂对大气柱信号的更强约束有关；
  
• 不确定性：野火排放（尤其FEERv1与GFEDv4的差异）和呼吸作用分解仍需更多地面观测验证。
  

（注：全文遵循学术规范，专业术语如“Net Biome Production (NBP)”“Gross Primary Production (GPP)”在首次出现时标注英文原词。）