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论文导读
ARTICLE
近实时的碳预算揭示2023年
陆地碳汇大幅下降
近日，由中国科学院院士、北京大学及中科院青藏高原研究所朴世龙教授团队与中国科学院外籍院士、法国原子能署气候与环境科学实验室Philippe Ciais教授联合清华大学地球系统科学系等多个机构的联合团队在National Science Review（《国家科学评论》, NSR）背靠背同期发表“The decline in tropical land carbon sink drives high atmospheric CO2 growth rate in 2023” 和“Low latency carbon budget analysis reveals a large decline of the land carbon sink in 2023”两篇研究论文，通过近实时的全球碳预算分析揭示了2023年全球陆地碳汇的显著下降。
论文 1
“The decline in tropical land carbon sink drives high atmospheric CO2 growth rate in 2023”
大气二氧化碳增长率 (CGR) 反映了人类活动排放与陆地和海洋净吸收量之间的碳平衡，在很大程度上决定了全球变暖的程度和速度。2023 年，莫纳罗亚基准观测站（MLO）的 CGR 创下了历史新高。将这一创纪录的CGR增长归因于全球碳平衡的不同组成部分至关重要。自2006年以来，全球碳项目每年发布全球碳预算，报告全球碳排放和吸收的变化。但预算估算存在一年延迟，导致2023年的全球碳预算在2024年下半年仍然不可知。因此，详细和近实时的全球碳预算跟踪显得尤为重要。
本文首先将基于全球观测的温室气体监测系统（GONGGA, 贡嘎）的气候反演与两个基于动态全球植被模型（DGVMs）的人工智能（AI）模型整合，以估算2023年陆地和海洋的碳汇。通过进一步结合Carbon Monitor化石燃料CO2排放数据，该研究分析了2023年相对于2022年全球碳平衡的变化，并调查了2023年创纪录的CGR增长原因。
研究结果将2023 年与 2022 年相比创纪录的 CGR 增长主要归因于陆地碳汇的大幅下降(1803±197 TgC/年)，海洋碳汇的小幅减少(184 TgC/年)和化石燃料排放量的轻微增加(24 TgC/年)(图1)。全球陆地碳汇下降至少有78%是由热带碳汇下降造成的，贡嘎反演(1354 TgC/年)和 AI 模拟(1578±666 TgC/年)显示热带地区也出现了类似的下降 (图2)。我们进一步将热带地区的碳汇下降与厄尔尼诺现象引起的异常变暖和干旱对缺水的萨赫勒和南部非洲植被生产力的不利影响联系起来 (图3)。
该研究在结合大气反演和 AI 模拟的框架内成功地归因于CGR增长，从而可以近乎实时地跟踪全球碳预算，而全球碳预算的报告滞后一年。
图1、 2023 年陆地净通量、海洋净通量和基于Carbon Monitor的化石燃料排放量对二氧化碳高增长率 (CGR) 的贡献。
图2、 2023 年陆地净通量异常的空间模式和区域贡献。
图3、 2023 年(a)非洲、(b)南美洲、(c)大洋洲和(d)东南亚的陆地净通量、植被生产力、温度和降水的月度异常值。
论文2
“Low latency carbon budget analysis reveals a large decline of the land carbon sink in 2023”
该研究基于全球近实时碳数据Carbon Monitor、3个低延时动态全球植被模型（ORCHIDEE, JULES 和OCN）、人工智能驱动的海洋碳通量模型（包含5个GOBMs模型和8个pCO2-based data products），建立了“低延时”的全球碳收支系统，其数据发布的滞后时间仅为3个月，能够每月更新全球碳收支结果。
研究发现2023年全球陆地碳汇显著下降。图4展示了主要的碳收支结果，其中Mauna Loa天文台记录的2023年大气二氧化碳增长率达3.37 ppm/年，创下历史新高（图4a）。尽管化石燃料排放量几乎与前一年持平，受极端气候事件影响，陆地碳汇降至0.14 GtC/年，为近二十年来的最低水平（图4b）。尽管海洋碳汇有所增加，但不足以弥补陆地碳汇的减少，最终导致大气二氧化碳浓度显著上升。
图4、1960-2023年大气二氧化碳增长率及2010-2023年全球碳收支。（a）全球观测站平均（MBL，蓝色柱状图）和莫纳罗亚天文台（MLO，深蓝色方块）观测的大气二氧化碳增长率。（b）2010-2023年全球碳收支，包括化石燃料燃烧和水泥生产的碳排放、陆地碳汇、海洋碳汇及大气二氧化碳浓度的增长变化。（宽柱表示基于自下而上的方法，窄柱表示基于大气反演方法的结果）。
北半球的陆地碳汇通常在夏季（7月至9月）达到最高值，但2023年这一时期碳汇明显下降，特别是在中欧、西部俄罗斯和中美洲地区，出现了异常的碳排放（图5）。此外，加拿大经历了大规模森林火灾，导致大量火灾碳排放。到第四季度（10月至12月），全球陆地碳汇进一步下降，亚马逊地区因极端干旱的影响，碳流失尤为严重，成为年度碳汇减少的关键因素之一；非洲南部的显著碳损失也加剧了全球陆地碳汇下滑的整体趋势（图5）。
图5、2023年全年及分季度的陆地和海洋净二氧化碳通量异常（相对于2015-2022年平均水平的变化）。左侧显示自下而上的模型估算结果，右侧为基于OCO-2卫星数据的反演分析。正值表示从大气到陆地或海洋的碳吸收通量增加（即碳汇增强）。
2023年全球陆地碳汇急剧减少，主要归因于多重极端气候事件的共同影响。亚马逊地区严重干旱，导致显著碳排放，尽管中非、东非和北美西部显示出较强的碳吸收能力，但未能抵消热带区域的碳损失。同时，北半球夏季碳汇表现疲弱，尤其是在中欧、西部俄罗斯和中美洲，导致全球陆地碳汇总体大幅下降（图6c）。自2015年以来，北纬20度以北的北半球陆地碳汇减半，2023年降至1.13 ± 0.24 GtC/年。此外，热带地区在长期拉尼娜现象后，于2023年下半年受厄尔尼诺影响转为碳源（图6c）。极端高温进一步加剧了碳流失，数据显示，温度高于95百分位的区域共计碳损失1.73 GtC/年，占全球碳损失的29.57%，而这些区域仅占全球陆地面积的8.61%（图6a, 6b）。
综上，2023年全球陆地碳汇的明显减弱，主要由热带干旱、极端高温和北半球碳汇下降共同推动。这一变化趋势不仅给未来碳收支估算带来挑战，也突显了气候变化对全球碳循环的深远影响。若此趋势持续，全球碳汇减弱可能进一步加速大气CO2浓度上升，带来更严重的后果。该研究由此强调了应对气候变化的紧迫性，特别是在碳减排、保护和增强自然碳汇等方面需采取更积极的行动，以避免生态风险的进一步加剧。
图6、 (a) 2023年每月陆地温度相对于1991-2020年参考期的变暖异常，按四个主要纬度带分类显示。(b) 按参考期内各温度百分位划分的陆地二氧化碳通量，2010-2022年（宽柱）和2023年（窄柱）对比，颜色与(a)一致。灰线表示2010-2022年的陆地区域面积，黑线表示2023年陆地区域面积。(c) 2015-2023年北半球陆地碳汇的变化趋势及热带陆地碳通量波动，基于自下而上的动态全球植被模型（DGVMs）与OCO-2反演数据。下方展示NOAA的ENSO指数，包括2015-16年的强厄尔尼诺、2020-2023年中的拉尼娜及2023年下半年的中等强度厄尔尼诺。(d) GRACE水储量异常与OCO-2反演的2023年陆地碳通量异常的双变量图，展示碳通量与水储量之间的协同关系。红色表示碳排放异常伴随干旱，绿色表示碳吸收异常伴随湿润条件。
引文信息：
1.Yanchen Gui, Kai Wang, Zhe Jin, Heyuan Wang, Hanzhi Deng, Xiangyi Li, Xiangjun Tian, Tao Wang, Wei Chen, Tengjiao Wang, Shilong Piao, The decline in tropical land carbon sink drives high atmospheric CO2 growth rate in 2023, National Science Review, 2024;, nwae365, https://doi.org/10.1093/nsr/nwae365
2. Piyu Ke, Philippe Ciais, Stephen Sitch, Wei Li, Ana Bastos, Zhu Liu, Yidi Xu, Xiaofan Gui, Jiang Bian, Daniel S Goll, Yi Xi, Wanjing Li, Michael O'Sullivan, Jeffeson Goncalves de Souza, Pierre Friedlingstein, Frédéric Chevallier, Low latency carbon budget analysis reveals a large decline of the land carbon sink in 2023, National Science Review, 2024;, nwae367, https://doi.org/10.1093/nsr/nwae367
