一、引言
最近，发表在顶刊NSR上的Low latency carbon budget analysis reveals a large decline of the land carbon sink in 2023这篇论文揭示了 2023 年陆地碳汇的大幅下降情况。通讯作者为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高级研究员 Philippe Ciais，第一作者为来自清华大学地球系统科学系的 Piyu Ke。2023 年，全球气候变化呈现出一系列令人瞩目的特征。在夏威夷莫纳罗亚天文台（Mauna Loa）观测到的二氧化碳增长率达到了 3.37 ± 0.11 ppm，相较于前一年增长了 86%，创下了自 1958 年有观测记录以来的新高。然而，全球化石燃料排放的二氧化碳仅增加了 0.6 ± 0.5%。这一现象暗示着陆地和海洋碳汇出现了前所未有的减弱，引发了人们对碳汇减少的地点和原因的深入探究。
二、研究方法
模型综合运用
研究人员采用了多种先进的模型和技术手段。在陆地方面，结合了三个动态全球植被模型（DGVMs），包括 ORCHIDEE、JULES 和 OCN，这些模型经过广泛验证，并参与过以往的全球碳预算评估。同时，利用了高分辨率的大气反演模型，该模型同化了 OCO - 2 卫星测量数据。
对于海洋碳汇的自下而上预算，使用了基于机器学习的模拟器，这些模拟器是根据以往全球碳预算评估中使用的海洋生物地球化学和数据驱动模型训练而来。模拟器的输入数据包括大气混合比、海表温度、海冰覆盖、海表高度、海平面气压、海表盐度、混合层深度、风速和叶绿素等，从而能够对 2023 年全年的海洋碳汇进行预测。
数据来源与处理
大气增长率的数据来自美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的全球监测实验室（GML）提供的全球平均海洋表面（MBL）大气浓度的月度时间序列（1979 年 1 月至 2024 年 2 月）以及莫纳罗亚天文台（MLO）站的数据（1958 年 3 月至 2024 年 4 月）。
全球火灾排放数据则来自全球火灾排放数据库（GFED4.1s）和全球火灾同化系统（GFAS）。GFED4.1s 结合了卫星信息和植被生产力来估计每月的燃烧面积和火灾排放，空间分辨率为 0.25°×0.25°；GFAS 同化了卫星的火灾辐射功率（FRP）观测数据来产生每日的生物质燃烧排放估计值，并将其汇总为每月排放。
陆地通量是由三个 DGVMs 的平均值得出，其估算方法遵循 TRENDY 协议，但因使用 ERA5 气候强迫以及土地利用强迫更新的低延迟性等因素有所调整。通过校准使其与 2019 - 2022 年 TRENDY DGVMs 模拟结果相匹配，以用于预测通量的年际异常。
海洋通量由基于生物地球化学模型和数据驱动模型的模拟器得出，通过更新 5 个全球海洋生物地球化学模型和 8 个数据产品的估计值，利用卷积神经网络（CNNs）和半监督学习技术创建了近实时框架，获得了全球表层海洋逸度和海洋 - 大气通量数据（截至 2023 年 12 月）。
人为排放方面，2010 - 2022 年使用全球碳预算的最新版本估计值，2023 年则采用碳监测项目（基于 6 个部门的近实时活动数据）和全球碳预算更新估计值（基于出版时可用的能源数据以及对无数据国家的预测）的平均值。
1960 - 2023 年大气增长率及 2010 - 2023 年碳预算
三、全球碳预算结果
总体情况
从自下而上的碳预算来看，2023 年全球陆地净通量（包括土地利用变化排放）降至 0.14 ± 0.28 GtC yr⁻¹ 的低值，相比 2010 - 2022 年期间的平均值 2.04 GtC yr⁻¹，这是自 2003 年以来的最低值。而 OCO - 2 反演诊断出在 2023 年开始的厄尔尼诺现象下有一个 0.73 ± 0.30 GtC yr⁻¹ 的小碳汇，与 2015 - 2016 年的厄尔尼诺情况类似，但 2023 年 6 月开始的厄尔尼诺较为温和。
2023 年海洋碳汇在自下而上的方法中比 2022 年增加了 0.10 GtC yr⁻¹，达到 2.60 ± 0.72 GtC yr⁻¹，反演结果为 2.33 ± 0.20 GtC yr⁻¹，与自下而上的模型模拟器结果较为接近。海洋碳汇的增加主要是由于拉尼娜现象的减弱和厄尔尼诺现象的发展，这减少了热带太平洋的源，同时高海表温度降低了东北大西洋的碳汇。
区域异常分析
陆地区域
陆地区域的通量异常呈现出较大的空间差异。在北半球，通常夏季（JAS）是陆地碳吸收的高峰期，但 2023 年在中欧、俄罗斯西部和中美洲出现了异常的碳源。不过，在北美洲西北部（180° - 100°W 和 40°N - 70°N），JAS 期间有一个较大的碳汇（反演结果为 0.11 GtC month⁻¹，DGVMs 为 0.01 GtC month⁻¹），尽管加拿大有极端的火灾排放，但这表明火灾排放被区域范围内的夏季异常吸收所抵消，这也与最大绿化异常情况相符。
在 2023 年第四季度（OND），陆地碳汇远低于往年平均水平。亚马逊地区出现了较大的异常碳损失（反演结果为 - 0.14 GtC month⁻¹，DGVMs 为 - 0.33 GtC month⁻¹），是 2023 年全球陆地碳汇下降的最大贡献者。在非洲，反演显示 OND 期间有 0.17 GtC month⁻¹ 的异常损失，DGVMs 为 0.07 GtC month⁻¹，中部和东部非洲较湿润地区的异常吸收被南部非洲的碳源所抵消。在东南亚，自下而上和自上而下的方法都显示 OND 期间净碳汇接近零。
海洋区域
在海洋方面，太平洋和部分南大洋的碳吸收显著增加，特别是在赤道东太平洋的 7 - 9 月（JAS）和 10 - 12 月（OND），这与厄尔尼诺发展过程中富含碳的海水上涌受到抑制一致。北冰洋、印度洋和沿海海洋的碳汇相对变化不大，南大洋存在分歧，模型模拟器显示略有下降，而 OCO - 2 反演结果显示增加。
2023 年各季度陆地和海洋通量异常与 2015 - 2022 年平均值对比
四、陆地碳汇下降的驱动因素
极端气候事件的影响
2023 年，多种极端气候事件并发，对陆地碳汇产生了重大影响。例如，加拿大的森林火灾排放了大量的，其燃烧面积达到了 184961 km²，超过了以往记录峰值的 2.5 倍，是十年平均值的 6 倍。DGVMs 在模拟此类极端森林火灾时存在弱点，研究人员采用了基于卫星观测的燃烧面积和燃烧能量的排放数据（来自 GFED 和 GFAS）来评估火灾排放，并相应地校正了 DGVM 结果。
亚马逊地区从 6 月到 11 月经历了极端干旱，导致了大量的碳损失，是 2023 年全球陆地碳汇下降的重要因素之一。同时，北半球的夏季碳吸收较弱，与亚马逊干旱、中部和东部非洲以及北美洲西部的碳源和汇的综合作用，导致了 2023 年全球陆地碳汇的抵消。
温度异常的影响
分析 2023 年相对于 1991 - 2020 年参考期的温度异常百分位数区间内的所有网格单元的碳通量异常发现，极热的网格单元（高于 95th percentile）在全球范围内总共造成了 - 1.73 GtC yr⁻¹ 的总碳损失，其中北半球中纬度（20 - 60°N）为 - 0.27 GtC yr⁻¹，热带地区（20°S - 20°N）为 - 1.36 GtC yr⁻¹。这些极热的网格单元虽然只占全球陆地面积的 8.61%，但却占全球总碳损失的 29.57%，表明极热温度对陆地植被碳吸收的负面影响非常显著。
2023 年陆地温度异常及不同温度百分位数下的陆地通量
五、碳汇与绿化的关系
全球层面的 decoupling
2023 年呈现出全球陆地碳汇减少与全球绿化水平创纪录高之间的强烈负相关关系。然而，这种关系在区域尺度上有所不同。
区域层面的关联
在区域层面，绿化和碳吸收之间存在预期的正空间关系。例如在北美洲，局部燃烧的森林区域（观察到褐色化）相比大面积未燃烧且绿化的森林区域，损失了不成比例的大量碳。这是因为碳损失在很小的受干扰区域（褐色化区域）非常强烈，导致了全球层面上绿化和碳汇之间的明显 decoupling，但在局部地区，碳损失仍然与褐色化相关，碳吸收与绿化相关。
六、未来展望与启示
森林恢复与碳汇稳定性
加拿大森林在未来几十年内无法完全恢复其碳储量，因为北方树木大约需要 100 年才能恢复其初始生物量。热带湿润地区的森林虽然在过去的极端干旱后能够快速恢复，但亚马逊地区的森林恢复力随着时间的推移在下降，未来热带地区更炎热干旱的情况可能会导致树木死亡率的变化，从而使这些关键的碳富集系统转变为长期的碳源。北方森林自 2021 年以来似乎已经开始受到热条件的影响，其碳吸收能力减弱，未来森林的恢复能力以及管理实践（如采伐率）将决定北方碳汇的近期稳定性。
对地球系统模型的启示
2023 年陆地碳汇的异常减弱为地球系统模型提供了一个测试案例，这些模型在预测中缺乏导致快速碳损失的过程，如极端火灾和气候诱导的树木死亡等，可能对估计剩余碳预算过于乐观。如果未来十年继续保持高升温率并像 2023 年一样对陆地碳汇产生负面影响，那么就需要采取紧急行动来增强碳封存，并将温室气体排放减少到净零，以避免自然碳汇无法再为人类提供缓解气候变化的服务。
七、结论
2023 年的陆地碳汇出现了大幅下降，这是由极端气候事件和温度异常等多种因素共同作用的结果。全球碳预算在这一年呈现出陆地碳汇减弱、海洋碳汇增强的趋势，且区域差异明显。同时，碳汇与绿化之间的关系在全球和区域层面存在不同表现。未来，森林的恢复能力和地球系统模型的改进将对全球碳循环和气候变化的应对具有至关重要的意义。我们需要更加关注陆地碳汇的变化，采取积极有效的措施来应对气候变化，保护我们的生态环境。
