NCAR Britton Stephens，金于茗团队在《PNAS》揭示利用全球航空观测改进纬度碳收支估算

美国国家大气研究中心（NCAR）地球观测实验室(Earth Observing Laboratory) Britton B. Stephens研究员、金于茗博士等二十余位学者，利用NASA ATom 全球航空机载CO2观测数据，建立了一套"浓度-通量涌现约束"（emergent concentration-flux constraint, ECFC）方法，对全球大气CO2反演模型的纬度碳通量估算进行了独立检验和约束，将碳通量纬度变化的不确定性降低了46%至56%，并揭示了当前陆地生态系统模型在热带与北半球温带碳收支分配上存在的重大分歧。

研究成果以"Improved latitudinal carbon budgets from global airborne surveys"为题，于2026年6月15日在线发表于PNAS。

NCAR Britton B. Stephens研究员为第一和论文通讯作者。

准确掌握全球碳通量的空间分布，是预测碳-气候反馈效应和未来大气CO2浓度演变的基础。碳汇究竟主要位于热带还是温带?这一问题直接关系到碳汇的驱动机制：若陆地碳汇以热带为主，则CO2施肥效应可能是主因；若以温带为主，则气候变化、氮沉降或植被恢复等因素更为关键。然而，当前全球碳收支的纬度分配仍存在巨大不确定性。基于大气观测与贝叶斯反演的"自上而下"方法虽已发展数十年，但不同反演模型之间的估算结果仍未收敛，主要原因包括大气输送模型偏差、地面观测网络稀疏、卫星反演的系统误差，以及大气观测难以分离陆地与海洋通量。与此同时，基于过程模拟的"自下而上"的陆地生态系统过程模型（dynamic global vegetation models, DGVMs）在估算区域碳通量时同样面临参数化方案、驱动数据和土地利用变化等多重不确定性。因此，获取独立的、高精度的纬度碳通量约束，对于厘清全球碳循环的关键过程至关重要。

全球航空机载观测在解决上述挑战方面具有独特优势。与地面站点观测相比，飞机能够完整获取从近地面到低平流层范围内的高分辨率CO2垂直廓线。这些垂直廓线信息具有三大显著优势：

1. 大气柱浓度信号综合了大尺度区域的通量信号，对局地源汇的敏感度低，更能反映纬度带尺度的碳收支；
2. 垂直梯度能有效克服大气边界层混合模型偏差——这是困扰地面站点反演的主要误差源之一；
3. 利用同一套机载仪器在全球范围内获取的纬度梯度具有极高的内部一致性，观测不确定性极小。

本研究利用ATom任务在2016年6月至2018年5月间四次全球航行中收集的机载CO2观测数据，结合NASA轨道碳观测站（OCO-2）第10版模型比对项目（v10 MIP）的50组大气反演结果，建立了机载观测CO2浓度纬度梯度与纬度碳通量之间的涌现关系，进而对反演模型的通量估算进行独立约束。研究的主要发现包括：

1. 大气反演模型在全球碳通量分配上存在根本性分歧。研究首先揭示了OCO-2 v10 MIP反演结果中存在的两类显著"通量偶极子"（图1）。图1A显示，不同反演模型在全球海洋碳汇与陆地碳汇之间的分配上差异巨大，部分模型难以有效区分陆地和海洋通量，两者此消彼长。图1B揭示了热带与温带总通量分配上的显著分歧，包含卫星海洋观测的反演倾向于估算出更大的温带碳汇和更弱的热带排放，而仅使用地面站点的反演则给出相反的结论。这一热带-温带偶极子结构直接关系到对陆地碳汇驱动机制的判断，是本研究重点约束的核心问题。

图1：2015–2020年间OCO-2 v10 MIP中的通量偶极子关系：（A）全球海洋通量与全球陆地通量；（B）热带（20°S–20°N）总通量（海洋、陆地和化石燃料）与温带（两半球20°以极地方向）总通量。

2. 全球航空观测揭示了反演模型中的系统性浓度偏差。研究构建了ATom观测的全球年均CO2浓度纬度-气压剖面（图2A），清晰展示了北半球中纬度化石燃料排放形成的强CO2高值信号，以及大气混合和海洋-陆地交换调制下的全球CO2浓度分布。在此基础上，研究计算了各反演模型后验浓度与ATom观测之间的偏差（图2B），发现不同反演实验呈现出高度一致的偏差模式：包含卫星海洋观测的反演（如LNLGOGIS和OG实验）在温带系统性高估CO2浓度达0.3–0.8 ppm，而仅使用地面站点的反演（如IS实验）偏差较小。这些偏差虽然在ppm量级上看似微小，但对推断的碳通量却有重大影响。

• LNLGOGIS — 同时使用所有卫星和地面数据的实验
• OG — 仅使用卫星海洋观测的实验
• IS — 仅使用地面站点原位观测的实验

图2: （A）基于ATom观测的CO2浓度纬度-气压剖面；（B）各OCO-2 v10 MIP反演实验中模型与ATom观测的大气柱浓度（1000–300 hPa气压加权）的偏差，虚线为模型间±1σ离散度。

研究进一步分析了这些浓度偏差与纬度碳通量之间的相关关系（图3）。结果揭示了一个高度系统性的"浓度-通量耦合"模式：南温带通量与南温带浓度正相关、与热带浓度负相关（图3A），热带通量则表现出相反的相关模式（图3B），北温带通量同样与同纬度浓度正相关（图3C）。这种跨纬度的反相关结构正是“通量偶极子”在浓度场中的体现，说明不同反演之间的通量差异确实系统性地映射到了可观测的大气浓度梯度中，从而为利用机载浓度观测约束通量提供了物理基础。

3. ECFC方法将纬度碳通量不确定性降低46%–56%。基于上述浓度-通量相关关系，研究利用多元线性回归（multiple linear regression, MLR）建立了ATom观测的区域平均CO2大气柱浓度与南温带（>20°S）、热带（20°S–20°N）和北温带（>20°N）三个纬度带碳通量之间的定量预测关系（图4）。图4显示，对于三个纬度带，MLR预测值与v10 MIP反演通量之间均存在很强的相关性。将ATom观测浓度代入MLR后（图4中黑色竖线），获得了经约束的ECFC通量估算。相比v10 MIP全集合（包含10个模型×5组实验 = 50组反演），ECFC约束将三个纬度带总通量的不确定性分别降低了约46%至56%（表1）。即使排除存在明显卫星偏差的海洋观测反演（OG实验），不确定性降幅仍达17%至28%，表明航空观测约束具有稳健的附加价值。

图4: 用ATom观测浓度约束三个纬度带的碳通量（A）南温带、（B）热带和（C）北温带。各面板纵轴为2016年6月至2018年5月v10 MIP反演通量均值，横轴为基于ATom共采样大气柱浓度的MLR预测通量。对角黑线为MLR拟合，黄色阴影为1σ预测区间；竖直黑线为ATom观测浓度对应的ECFC约束通量，灰色带为基于五台机载仪器比对的观测不确定性。

4. 剩余陆地通量揭示了基于过程的模型在碳汇纬度分配上的重大偏差。在ECFC约束的总碳通量基础上，研究扣除了独立估算的化石燃料排放和基于pCO2观测推算的海-气CO2通量，获得了残差陆地碳通量（表1）。结果显示：北温带(NET)存在巨大的陆地碳汇（约2.2 PgC/年），热带(T)存在小幅陆地碳源（约0.4 PgC/年），南温带(SET)存在小幅陆地碳汇（约0.6 PgC/年）。这一纬度分配模式与"自下而上"的DGVMs（结合土地利用变化排放和河流碳输送估算）存在显著差异：DGVMs估计热带有远大于本研究结果的碳吸收，而北温带碳汇则远小于本研究结果，两者之间的热带-温带差异达0.88 PgC/年。这一分歧可能源于DGVMs过度估计了CO2施肥效应对热带植被的增汇作用，同时低估了北温带因气候变化、营养盐供给或植被恢复带来的碳汇增长；也可能与化石燃料排放清单中存在的系统性高估（约6%）有关。

表1: 2016年6月至2018年5月期间三个纬度带的纬度碳通量（正值表示向大气释放，单位PgC/年），包括OCO-2 v10 MIP集合均值、ECFC约束总通量、pCO₂海-气通量、化石燃料排放及残差陆地通量等。

5. 研究凸显了持续开展全球航空观测的战略意义。自2018年ATom任务结束以来，全球尚未再开展类似的大规模航空温室气体观测。然而，本研究证明，定期重复的全球航空观测能够为碳通量估算提供独立且高精度的约束，这是地面站点和卫星观测均难以替代的。研究指出，NASA、NSF、NOAA等机构均已具备开展此类飞行的远程科研飞机，若能协作开展定期全球航空观测，其对碳循环科学的贡献将堪比海洋学领域延续数十年的全球水文断面调查项目（如GEOSECS、JGOFS、WOCE、GO-SHIP）。此外，商业航空平台的利用也可大幅降低观测成本、提高观测频次。

该研究表明，全球航空机载CO₂垂直廓线观测是约束纬度碳收支的独特而强大的工具。结合该团队此前在PNAS（Jin et al., 2024）和Nature Geoscience（Jin et al., 2026）中分别建立的南大洋CO2和O2通量约束，大气成分的全球航空观测正在从多个维度系统性地改进我们对地球碳循环的认知，为更准确的气候预测和碳减排决策提供坚实的科学基础。

相关论文信息：

Stephens, B. B., Jin, Y., Sweeney, C., McKain, K., Gaubert, B., Baker, D. F., Basu, S., Bertolacci, M., Chevallier, F., Commane, R., Crowell, S., Deng, F., Johnson, M. S., Keeling, R. F., Liu, J., Liu, Z., Maity, S., Morgan, E. J., Patra, P., Philip, S., Wofsy, S. C. & Zammit-Mangion, A. Improved latitudinal carbon budgets from global airborne surveys. PNAS, 125(25), e2523984123 (2026). https://doi.org/10.1073/pnas.2523984123

Jin, Y., Keeling, R. F., Stephens, B. B., Long, M. C., Patra, P. K., Rödenbeck, C., Morgan, E. J., Kort, E. A. & Sweeney, C. Improved atmospheric constraints on Southern Ocean CO2 exchange. PNAS, 121(6), e2309333121 (2024). https://doi.org/10.1073/pnas.2309333121

Jin, Y., Stephens, B. B., Long, M. C., Manizza, M., Lovenduski, N. S., Nevison, C., Morgan, E. J. & Keeling, R. F. Atmospheric oxygen constraints on Southern Ocean productivity and drivers of carbon uptake. Nature Geoscience (2026). https://doi.org/10.1038/s41561-026-01944-z

作者：

Britton Stephens是NCAR EOL高级科学家。他的研究专注于开发和部署用于塔基、船基和机载大气O₂与CO₂观测的新型仪器，并综合观测数据与模型来阐明全球碳循环过程。Britt的碳循环研究兴趣涵盖陆地生态学、海洋学、大气动力学、大气化学和气候变化等多个领域。

审阅：毛象

End