基于OCO-2遥感观测的孟加拉国大气CO2浓度时空分布与气候脆弱性评估

《Heliyon》：Spatio-temporal observation of atmospheric CO2 concentrations over Bangladesh: A remote sensing approach

本研究针对孟加拉国面临的气候变化威胁，利用OCO-2卫星的XCO2观测数据，首次通过遥感手段系统分析了2015-2021年大气CO2浓度的时空分布特征。研究发现全国CO2浓度增长3.67%，其中达卡地区浓度最高（416 ppm），主要受人为排放、人口密度和土地利用变化驱动。通过相关性分析确认人为CO2排放与MXCO2呈强正相关（rp>0.8），而气象因素影响较弱。研究构建的气候脆弱性排名显示达卡为最脆弱区域，为发展中国家碳排放管控提供了卫星遥感监测范式。

　　

随着全球气候变化的加剧，发展中国家面临着日益严重的环境挑战。位于南亚的孟加拉国，作为世界第七大气候风险国家，其独特的地理位置、高人口密度和快速工业化进程使其成为气候变化的敏感区域。大气中的二氧化碳（CO₂）作为主要的温室气体，其浓度变化直接影响全球气候系统。然而，传统的地面监测站点分布有限，难以全面捕捉CO₂的空间异质性，这为精准评估区域碳排放特征带来了巨大挑战。

在此背景下，来自库尔纳工程技术大学城市与区域规划系的Bhaskar Ghosh等研究人员，利用新一代遥感技术开展了创新性研究。他们通过美国国家航空航天局（NASA）的轨道碳观测站2号（OCO-2）卫星数据，首次对孟加拉国大气CO₂浓度进行了系统性的时空观测分析。这项发表在《Heliyon》期刊上的研究，不仅揭示了CO₂浓度的变化规律，还深入探讨了其与人为活动、土地利用和气象因素的内在关联，为发展中国家应对气候变化提供了重要的科学依据。

研究团队采用了多源数据融合的分析方法，主要包括：基于OCO-2卫星的柱平均干空气摩尔分数（XCO₂）数据，通过计算XCO₂异常值（MXCO₂）进行去趋势和去季节化处理；利用ODIAC化石燃料CO₂排放数据集分析人为排放源；结合OMI传感器获取的对流层NO₂柱浓度数据；采用LandScan人口密度数据；通过Landsat 8影像计算归一化植被指数（NDVI）和归一化建筑指数（NDBI）评估土地利用变化；并整合孟加拉国气象部门的温度、降水和风速等观测数据。所有空间分析均基于行政区划边界，使用ArcGIS 10.8.1进行分区统计。

3.1. 大气CO₂浓度的时空分布

研究发现孟加拉国大气CO₂浓度呈现明显的上升趋势，全国范围内2015-2021年间增长3.67%。空间分布显示达卡地区浓度最高（2021年达416 ppm），而巴里萨尔地区最低（412 ppm）。季节变化特征显著，夏季浓度最高，季风季节最低，这种规律与植被光合作用强度和呼吸速率变化密切相关。

3.2. 人为CO₂排放的时空分布

人为CO₂排放空间异质性明显，达卡地区排放量显著高于其他地区，从2015年的28.629 PgC增长至2021年的36.807 PgC。2020年受COVID-19疫情影响，全国排放量出现短暂下降，2021年迅速反弹并超过疫情前水平，这一现象为研究特殊事件对碳排放的影响提供了典型案例。

3.3. 平均对流层NO₂的时空分布

对流层NO₂作为人为排放的指示剂，其分布模式与CO₂浓度高度一致。达卡和拉杰沙希地区NO₂浓度持续偏高，而吉大港地区最低，这种空间对应关系进一步证实了工业活动和交通排放对大气成分的显著影响。

3.4. 人口密度的时空分布

人口密度空间分布极不均衡，达卡地区密度最高（2021年达2016人/km²），是巴里萨尔地区的近三倍。高人口密度区域与高CO₂浓度区域高度重叠，表明人口集聚效应对碳排放的重要贡献。

3.5. 植被和建成区时空分布

植被覆盖变化显示吉大港地区NDVI值最高（>0.62），而朗布尔和拉杰沙希地区NDBI值较高，表明城市化进程较快。植被减少和建成区扩张的区域与高CO₂浓度区域高度吻合，揭示了土地利用变化对碳循环的深远影响。

3.6. 气象变量的时空分布

气象因素分析显示，温度、降水和风速在研究期内未呈现明显趋势性变化。但值得注意的是，CO₂浓度较高地区（如达卡、朗布尔）的年均降水量相对较低（<7.5 mm），而浓度较低地区（如巴里萨尔、吉大港）降水量较高（>9 mm），暗示了降水对大气污染物的清除作用。

3.7. 相关性分析

皮尔逊和斯皮尔曼相关分析均显示，MXCO₂与人为CO₂排放、对流层NO₂和人口密度呈强正相关（r_p>0.8）。NDBI与MXCO₂呈中等正相关，而NDVI呈负相关，证实了城市化进程和植被减少对CO₂浓度的促进作用。气象因素中仅降水与MXCO₂呈现中等负相关，温度和风速相关性较弱。

3.8. 气候脆弱区域

基于CO₂浓度增长率和人为排放增长率，研究构建了气候脆弱性排名体系。达卡地区因最高的大气CO₂浓度增长率（4.16%）和人为排放增长率（28.96%）被列为最脆弱区域，而工业化程度较低的巴里萨尔地区脆弱性最低。这一排名为区域差异化气候政策制定提供了重要参考。

研究结论强调，人为CO₂排放是驱动孟加拉国大气CO₂浓度上升的主要因素，快速城市化、人口集聚和工业活动共同导致了区域碳排放格局的形成。遥感技术在大气成分监测中展现出强大优势，特别是在地面监测站点稀疏的发展中国家。该研究不仅为孟加拉国应对气候变化提供了科学依据，也为类似发展中国家开展碳排放监测建立了可借鉴的方法框架。研究人员建议通过工业活动分散化、可持续土地利用规划、可再生能源推广等综合措施，有效控制碳排放增长，增强区域气候韧性。