全球大气CO2季节循环振幅的差异性趋势

《Earth's Future》：Divergent Trends in the Seasonal Amplitude of Atmospheric CO2 Across the Globe

　　

在过去的六十年里，北半球高纬度地区的大气CO₂季节循环振幅（SCA）得到了大幅增强。然而，尚不清楚这种SCA的增强是否在全球范围内的不同历史时期一致发生，以及其背后的机制是什么。本研究使用了来自反演产品和基于过程的模型的68个站点的CO₂观测数据和27个模型数据集，以估计六个纬度带的全球SCA趋势以及陆地和海洋碳通量的季节振幅。研究发现，北半球高纬度地区的SCA得到了显著增强，并且这种增强已经加速了74.24%。相比之下，在热带地区（38.30%）和南半球中高纬度地区（22.43%）的历史时期，SCA的显著增加较为罕见，这些地区的SCA趋势表现出从负到正的年代际转变。通过统计分解和GEOS-Chem因子模拟，将其归因于北半球高纬度地区SCA增强的加速是由陆地碳通量（45.60%）和大气传输（40.91%）的综合效应所驱动的。同时，热带和南半球温带地区SCA趋势的年代际转变主要受大气传输主导。总体而言，这些结果为SCA趋势的变异性提供了全球视角，并推进了对全球碳过程季节变化的理解。

全球大气CO₂浓度的季节循环是响应气候变暖而发生显著变化的关键指标。以往研究表明，北半球高纬度地区的大气CO₂季节循环振幅（SCA）呈现出最强的增长态势，这种现象通常归因于该区域陆地生态系统碳源汇季节变异性的增强。然而，以往研究多聚焦于北半球，对于全球其他纬度区域SCA的长期演变特征缺乏系统性评估。此外，监测记录表明SCA趋势存在显著的年代际变率，不同历史时期、不同区域的趋势差异亟需从全球视角进行深入探讨。同时，SCA的变化受自然表面碳通量、人类土地利用变化、化石燃料排放以及大气传输等多种复杂因素共同调控，其内在驱动机制尚不明确。基于此，研究人员开展了这项研究，旨在定量评估全球SCA趋势的时空特征并揭示其驱动机制。研究得出结论：北半球高纬度地区SCA的增强不仅显著，且呈现出加速趋势，这主要由陆地生态系统碳通量的变化与大气传输机制共同驱动；而热带和南半球温带地区的SCA趋势不稳定，由从负到正的年代际转变主导，这主要受大气传输的控制。该研究建立了基于全球纬度差异的碳循环节节动力学框架，突出了监测区域差异的重要性，对深入理解全球碳循环的季节动态具有重要意义。该论文发表在《Earth's Future》上。

为开展此项研究，研究人员主要综合运用了多源数据集分析与大气化学传输模拟相结合的关键技术方法。首先，团队利用来自世界温室气体数据中心（WDCGG）、美国国家海洋和大气管理局地球系统研究实验室（NOAA-ESL）等全球网络共计68个观测站点的长期CO₂浓度数据，并结合CAMS和Jena大气反演系统、17个动态全球植被模型（DGVMs）以及8个基于fCO₂的海洋反演产品，获取了陆地与海洋碳通量数据。其次，研究使用了NOAA的CCGCRV曲线拟合方法提取去趋势季节循环，并创新性地定义了累积碳通量以建立其与SCA的数学关系。接着，研究人员应用广义最小二乘法（GLS）回归开展统计分解，量化陆地与海洋碳通量对SCA变化率的贡献。最后，采用GEOS-Chem全球三维化学传输模型进行了包含控制模拟和48组敏感性试验的因子模拟，以剥离并量化陆地碳通量、海洋碳通量、人为排放和大气传输对SCA的独立贡献。

大气CO₂季节振幅趋势
通过分析多源观测和模型数据集，研究人员发现全球SCA趋势存在显著的时空差异。在北半球高纬度地区（≥50°N），所有站点均表现出稳定且显著的SCA增长，并且这种增长呈现出加速态势，平均加速幅度达42.1%。然而，在北半球温带和热带地区，表现出稳定增长趋势的站点比例显著下降。在南半球高纬度海洋区，仅有28.6%的站点保持显著增长。典型站点也印证了这种差异，高纬度的BRW站点SCA加速了51.64%，而位于副热带的MLO站点和SPO站点的显著增长比例大幅下降。这表明SCA趋势不仅在空间上存在差异，且在不同历史时期表现出不稳定的年代际转变。

碳通量季节振幅趋势
陆地和海洋累积碳通量的季节振幅（AMP）同样表现出显著的时空变率。在北半球高纬度地区，多套数据集一致显示陆地和海洋碳通量的AMP呈增加趋势。而在其他区域，AMP表现出不同比例的负趋势。陆地和海洋累积碳通量季节变异性的这种一致性变化，为其在驱动SCA趋势中发挥关键作用提供了有力证据。

基于统计分解的SCA趋势归因
研究人员将SCA增长率（CAGR）分解为陆地（CAGR_Land）和海洋（CAGR_Ocean）的贡献，以检验自然碳交换的影响。在北半球高纬度地区，由于陆地碳通量振幅增长率的稳定加速以及敏感性的持续增强，陆地生态系统是CAGR加速的主导因素。在南半球高纬度海洋区，SCA对海洋碳通量的敏感性与CAGR表现出相似的反向过渡趋势，暗示海洋碳通量在此区域起关键作用。然而，在中低纬度的热带和南半球温带区域，重建的CAGR与观测值存在较大差异，表明局地碳通量不足以解释观测结果，暗示大气传输等其他因素在此类区域中起到关键调控作用。

基于因子实验的SCA趋势归因
为量化各因素的独立贡献，研究人员开展了GEOS-Chem因子模拟。结果表明，在北半球高纬度地区，SCA的持续增加主要由陆地碳交换的稳定贡献和大气传输共同驱动，两者对SCA增强的加速效应分别解释了45.60%和40.91%。在北半球温带区，大气传输的调控作用更为重要，甚至超过了陆地碳通量的正向贡献。在热带区域，陆地与海洋局地碳通量的相互抵消效应产生了复杂的SCA变化模式，大气传输在近几十年起到了稳定正向贡献作用。在南半球高纬度区域，SCA趋势的年代际转变则主导性地受控于海洋碳通量的贡献。

在讨论部分，研究人员强调了敏感性在驱动SCA变化中的重要性，指出其与大气传输的影响紧密相连。在中低纬度地区，由于SCA对北半球中高纬度碳通量的敏感性更高，大气传输的相对贡献显著增强。研究还指出，热带和南半球温带地区的CAGR被低估，主要是由于未充分考虑跨区域的大气环流效应，引入北半球中高纬度信号后可成功重现观测到的演变趋势。此外，研究讨论了归因框架的不确定性，指出地表通量估算误差以及振幅聚合的非线性特征会引入数学残余项，这反映了复杂区域各驱动因素间强烈的相互抵消效应。研究结论总结指出，全球SCA趋势表现出显著的空间与时间异质性。北半球高纬度地区SCA增强显著加速，源于陆地碳通量与大气传输的共同驱动；热带和南半球温带的SCA趋势年代际转变则主导性地受大气传输控制。该研究提出的分析框架为理解不同纬度SCA趋势的时空格局和控制机制提供了新见解。