地球碳预算失衡减少：大气生长率校正与过程模型改进揭示碳循环认知提升

全球碳计划(GCP)年度碳预算评估长期存在显著失衡问题，传统认为源于陆地/海洋模型误差。Sudhanshu Pandey团队通过校正海洋边界层(MBL)CO2生长率估算误差（采用CAMS和Jena CS大气反演模型），结合2017-2023年GCP报告改进分析，发现碳预算失衡均方根(RMS)降低37%（0.91→0.57 PgC yr-1），证实过程模型准确性被低估，为《巴黎协定》全球盘存提供更可靠的科学依据。

　　

气候变化背景下，地球碳循环的精确量化是评估减排进展和制定气候政策的核心。全球碳计划(GCP)每年发布的碳预算报告长期面临一个关键矛盾：人为CO₂排放、陆地/海洋碳汇与大气CO₂生长率之间的理论平衡关系，在实际计算中总存在显著残差（称为碳预算失衡）。传统观点将失衡归咎于陆地/海洋过程模型的误差，但这一假设缺乏直接证据。更棘手的是，随着《巴黎协定》全球盘存机制的推进，这种未被理解的碳循环变率正成为国际减排核查的技术障碍。

来自美国加州理工学院喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology）的Sudhanshu Pandey团队发现，问题可能源于一个被忽视的系统误差——当前碳预算使用的CO₂生长率数据来自海洋边界层(MBL)站点观测，这些数据虽精确却仅代表局部大气状态。当用MBL生长率推算全球大气总量时，由于平流层-对流层交换(STE)的延迟效应（平流层CO₂浓度比对流层低3-5 ppm）和站点空间覆盖不足，会引入显著误差。研究团队通过两种创新方法校正这一误差：一是采用CAMS和Jena CarboScope大气反演模型直接计算全球净通量；二是构建包含STE效应的两箱模型。同时，他们系统分析了2017-2023年间GCP各组分估算的改进。

关键技术方法包括：1) 基于159个地面观测站的CAMS大气反演（水平分辨率1.27°×2.5°，79垂直层）；2) Jena CarboScope反演系统（4°×5°分辨率，19垂直层）；3) 两箱模型量化STE效应（设定平流层滞留时间τ=2年）；4) 对比分析GCP 2017与2023报告的化石燃料排放、土地利用变化、陆地/海洋碳汇等6个组分变化。

主要结果
Whole-atmosphere growth rate correction
通过校正MBL生长率的STE误差，碳预算失衡的RMS值显著降低。以1991年（皮纳图博火山爆发）为例，原GCP失衡+1.7 PgC yr^-1经CAMS反演校正后降至+1.17 PgC yr^-1；1998年强厄尔尼诺年的负失衡从-1.5改善至-0.87 PgC yr^-1。大气反演校正使1985-2016年失衡RMS降低25%（从0.76至0.57 PgC yr^-1），证明传统归因于过程模型的误差中有1/4实际源于生长率估算偏差。

Improvements in process models and inventories
比较GCP 2017与2023报告发现，所有碳预算组分均得到改进：1) 陆地模型新增漫辐射效应（6/20模型）和氮磷耦合过程（10/20模型）；2) 海洋模型垂直分层从51层增至75层；3) 首次纳入水泥碳化汇（贡献0.11 PgC yr^-1）。单独替换2017年陆地碳汇为仅含漫辐射效应的6个模型估算，失衡RMS即从0.76降至0.72 PgC yr^-1。

结论与意义
该研究通过大气生长率校正与过程模型改进的双重验证，将全球碳预算失衡降低37%（0.91→0.57 PgC yr^-1），相当于2020年COVID-19疫情期间的全球排放降幅。这一突破性进展表明：1) 陆地/海洋模型准确性被系统性低估；2) 大气传输效应是碳预算误差的重要来源；3) 新增过程参数化（如水泥碳化、漫辐射效应）显著提升模型性能。最终失衡水平（0.57 PgC yr^-1）已接近化石燃料排放不确定性（0.5 PgC yr^-1），使碳预算有望成为监测大规模人为排放变化的有效工具。论文发表于《Nature Communications》为《巴黎协定》全球盘存提供了更可靠的科学基准。