GEE-MEGAN模型：高分辨率动态模拟人类干扰森林边缘与城市地区生物源排放的新突破

本研究针对传统生物源挥发性有机物(BVOC)排放模型在人类干扰区域和城市环境中的局限性，开发了基于谷歌地球引擎(GEE)的GEE-MEGAN模型。通过整合多源遥感数据和机器学习算法，实现了10-30米分辨率的近实时动态模拟。研究发现该模型在亚马逊森林边缘区域将排放估算误差降低48.6%，在伦敦、巴黎等城市区域揭示夏季BVOC排放量可达传统估算的25倍。该成果为理解生物圈-大气相互作用提供了革新性工具，对气候变化和空气质量研究具有重要意义。

　　

在应对全球气候变化和城市空气污染的双重挑战中，生物源挥发性有机物(BVOC)扮演着复杂而关键的角色。这些由植物释放的化学物质，如异戊二烯(isoprene)和单萜烯(monoterpenes)，不仅影响着大气臭氧(O₃)和二次有机气溶胶(SOA)的形成，更与气候系统形成精妙的反馈循环。然而，传统模型如MEGAN2.1受限于粗分辨率数据（通常500米以上）和静态参数，难以捕捉人类活动导致的植被快速变化——无论是亚马逊"毁林弧"边缘的破碎化森林，还是北京街头零散的绿化树木，其真实的BVOC排放贡献长期被低估或忽视。

这项发表于《Nature Communications》的研究突破性地将谷歌地球引擎(GEE)的云计算能力与MEGAN2.1模型框架结合，创建了GEE-MEGAN这一革命性工具。研究团队由中国科学院广州地球化学研究所的王新明团队领衔，联合美国加州大学欧文分校的Alex Guenther等国际专家，通过动态整合Landsat等10-30米分辨率遥感数据，首次实现了对BVOC排放的"显微级"观测。

关键技术方法包括：（1）基于随机森林算法(ee.Classifier.smileRandomForest)的10米级土地利用分类；（2）融合MODIS与Landsat的叶面积指数(LAI)动态校正；（3）在GEE平台构建的排放因子地图(EFMAP)实时更新系统；（4）采用BOXMOX化学箱模型验证城市区域模拟结果。研究数据涵盖亚马逊、洛杉矶等典型区域2010-2025年的多时相观测，其中仅亚马逊地区就处理了2,211景Landsat影像。

【Better prediction of observed LAI and BVOC fluxes】

通过对比南美洲2010年8月的OMI甲醛(HCHO)柱浓度数据，GEE-MEGAN展现出与传统模型(MEGAN2.1-MOHYCAN-OMI)高度一致的日变化趋势（Spearman R=0.83）。但值得注意的是，其异戊二烯排放量比卫星反演结果高出50%，这与近期关于OMI系统低估的研究相互印证。在LAI估算精度上，基于Landsat的方法比传统MODIS数据降低均方根误差(RMSE)达9.1%。

【Enhanced spatial resolution in original and disturbed forests】

2019年8月的亚马逊模拟显示，GEE-MEGAN整体排放量比MEGAN默认模型低13%，但在"毁林弧"边缘区域发现传统模型存在77%的高估。更惊人的是在巴西东南部再造林区，传统模型竟低估排放达250%。这种差异源于30米分辨率对森林边缘"马赛克格局"的精准刻画——在2°×2°网格(约50,000 km²)内，GEE-MEGAN检测到的排放差异幅度(68%)远超传统模型(23%)。

【High-resolution BVOC emissions modeling in urban areas】

对伦敦、巴黎等城市的模拟揭示：传统500米分辨率模型几乎将城市绿化视为"不透水面"，而GEE-MEGAN在100米尺度下识别出额外2,800 km²植被斑块。在北京，这种精细化处理使夏季BVOC排放估算提升25倍。巴黎Rive Gauche站点的PTR-MS实测数据验证表明，新模型使异戊烯浓度模拟误差降低21.6%。

【Implications for air quality and climate】

西洛杉矶的案例最具警示意义：传统模型认为251个社区中多数区域BVOC排放为零，而GEE-MEGAN显示其OH反应性(OHR)贡献达26.3%，SOA生成潜力(SOAFP)占29.4%。这与2021年机载观测（显示BVOC实际贡献超50%）共同表明：城市绿化在缓解热岛效应的同时，可能意外加剧臭氧污染——这一发现为"基于自然的解决方案"提供了关键权衡依据。

这项研究的里程碑意义在于：首次实现了从单棵树木到全球尺度的BVOC动态模拟，其81-102倍于传统模型的计算效率（亚马逊区域模拟仅需7.2秒）更开创了"近实时环境建模"新范式。对于正在经历大规模植树造林的中国城市，该研究特别提示：在北京市中心每增加67公顷零散绿地，可能产生相当于1,675公顷郊外森林的OHR影响——这一发现为优化"公园城市"设计提供了量化工具。随着全球升温加剧BVOC排放（温度每升1℃排放增加10-30%），GEE-MEGAN将成为预测气候-化学反馈不可或缺的"数字孪生"平台。