全球碳循环的观测进入综合集成观测时期，建立全球一体化观测的协调体系极为必要。以IGOS的全球一体化碳观测主题项目(IGCO)框架为基础，分析了建立全球碳循环一体化观测体系的现有基础、制度和条件需求，提出了这一体系建设目标和观测任务，其未来观测任务：碳库的规模变化、通量的大小和分配以及碳循环的过程等主要观测内容

曲建升

陈聆东

高峰

National Science Library,Chinese Academy of Sciences

第 2O卷 第 4期 2005年 8月 遥 感 技 术 与 应 用 REMOTE SENS G TECHNOLOGY AND APPLICATION ．2O ND．4 Aug．2005 建设全球碳循环一体化观测的协调体系 — — 基础、条件、任务与目标 曲建升h ，高 峰 ，陈聆 东 (1．中国科学院资源环境科学信息中心，甘肃 兰州 730000； 2．兰州大学资源环境学院，甘肃 兰州 730000) 摘要 ：全球碳循环的观测进入综合 集成观 测时期 ，建立全球一体化观测的协调体 系极为必要 。以 IGOS的全球一体化碳观测主题项 目(IGCO)框架为基础 ，分析 了建立全球碳循环一体化观 测体 系 的现有基础、制度和条件需求，提出了这一体系建设目标和观测任务，其未来观测任务：碳库的规模 变化、通量的大小和分配以及碳循环的过程等主要观测内容。 关 键 词 ：全球碳循环；对地观测；现场观测；碳观测 中图分类号 ：X 84；P 413 文献标识码：A 文章编号 ：1004—0323(2OO5)O4一O455一O5 1 引 言 以 CO 为代表的温室气体在大气中含量的剧 增是目前全球变暖的主要驱动因素之一。在过去的 200多年间，大气中的 C0：浓度由 280~mol／mol增 加到 370~mol／mol，CH4的浓度 由 700~mol／mol 增加到 2 000~mol／mol，而且这一增长的趋势及其 影响在未来很长时间内仍将保持。作为气候变化的 关键环节和全球变化研究的主要内容，科学工作者 对碳循环过程进行 了大量的观测、模拟、分析和评估 工作，概括而言，这些科学活动主要集中在碳循环的 研究、观测和评估 3个方面，如地球系统科学联盟 (ESSP)的全球碳项 目(GCP)等研究计划开展的预 测、分析与模拟等研究活动、一体化全球观测战略 (1GOS)的全球一体化碳观测主题(IGCO)项目等实 施的碳循环参数的观测行动、政府间气候变化专门 委员会(IPCC)等开展的有关碳排放与固定的评估 活动。这些活动目前还处于相对分散的状态，在地球 系统科学蓬勃发展的状况下，对数据获取、研究和评 估手段都提出了更高的要求，建立全球协调一致的 综合观测体系，实现对全球碳循环更深入的认识和 管理已经成为紧迫的工作。在这一背景下，一体化全 球观测战略(IGOS)率先在原来的陆地碳观测倡议 (TCI)的基础上设计了“全球一体化碳观测主题 (IGCO)”项 目，这对我们开展相关 的项 目设计、观 测、研究和评估等科学工作具有重要的借鉴意义。本 文将 以 IGCO 的项 目设计为基础 ，阐述全球碳循环 一 体化观测的协调体系的建设思路。 2 采取国际一体化碳观测行动的工作 基础 全球协调一致的综合观测工作需要整合不同区 域、不同来源、不同格式的观测数据，不断扩大数据 覆盖范围，并保证所有数据能够得到有效地开发与 利用，为获取有关碳循环的科学认识，评估人类活动 的影响提供重要支持(见图1)。目前，国际已经在碳 循环 的观测、研究和评估方 面积累了一定的成果和 经验，下一步将在此基础上进行整合，建立全球碳循 环一体化观测体系。 图1 IGCO~观 测行动 、C,CP的研究规划和 ∞ 评估行动之间的联系 收稿 日期 ，2005一Ol一19；修订 日期 ，2005—06—08 基金项目，中国科学院知识创新工程重要方向项目 地球科学数据信息导航系统建设 (编号，KT-~X3-SW-325)资助． 作者筒介 曲建升(1973一)，男，副研究员，主要从事全球环境变化信息分析研究工作。 维普资讯 http://www.cqvip.com 456 遥 感 技 术 与 应 用 第 20卷 2．1 观测 IGOS拥有广泛的观测框架，通过整合卫星和 地面观测系统，实现对全球大气、海洋和陆地环境的 有效观测，提高我们对碳循环的认识。IGOS通过与 空 间机构 (如地球观测卫星委员会 CEOS)、全球观 测系统(如全球海洋观测系统 GOOS、全球陆地观测 系统 GTOS和全球气候观测系统 GCOS)、国际研 究计划(如IGBP和wCRP)等建立合作伙伴关系来 开展工作。一体化的全球碳观测战略的实施也将在 这些合作组织的支持下开展工作。 作为 IGOS的主题项 目，IGCO具有明确的工 作任务，即利用现场和遥感观测，建立面向海洋、陆 地和大气的全球碳循环一体化观测协调体系。要实 现这一任务，需要在统一的数据同化和数据融合的 模拟框架内，整合来 自各种平台和不同技术的碳观 测数据。 发展全球碳循环一体化观测协调体系的策略也 需要与全球海洋观测系统(GOOs)和气候变率与及 其预报性研究计划(cLIVAR)开展合作，增强面向 海洋碳的观测与调查能力。 全球尺度的观测基本上基 于分散的观测策略， 对全球碳循环一体化观测协调体系而言，地区和国 家的观测系统及其策略可以成为有益的补充。但是， 在 目前这些区域性的观测仍然在分散的形式下运 转，而且其潜力只有通过IGOS的推动才能实现。另 外，全球一体化碳观测的实现还依赖于全球碳项 目 (GCP)在模型数据的融合方法上有所突破。 2．2 研究 在碳循环研究领域 ，活跃着大量研究人员和团 体，已经为人类认识全球碳循环机制做出了大量的 贡献。2001年，国际地圈一生物 圈计划(IGBP)、全 球环境变化的人文因素计划(IHDP)和世界气候研 究计 划 (WCRP)已经 联合 确立 了全球 碳项 目 (GCP)，致力于建立碳循环集成研究的国际框架。 GCP确定 了以下 3个研究主题 ： (1)模式和变率：全球碳循环体系中的主要碳 库和通量的时间与地理空间分布。 (2)过程、控制因素和相互作用：控制碳循环动 力学的潜在机制和反馈，包括与人类活动的相互作 用 。 (3)碳循环动力学前景：碳循环动力学将来不 确定的趋势。 IGCO和 GCP的联系尤其重要 ，GCP为模式的 发展与比较 、先进 的过程研究 ，以及基于研究的观测 提供框架 ，而 IGCO则为长期、系统地开展有关碳通 量、碳库和过程的观测提供具有战略性的综合规划。 2．3 评估 有关碳循环的评估活动主要是由政府问气候变 化专门委员会(IPCC)开展的。例如，IPCC的第三次 评估报告对碳循环动力学提供了很好的全面解释。 IPCC所做的关于排放情景、土地利用及其变化和森 林活动、碳循环源与汇的报告指南等领域的专题报 告，被用来指导评估《京都议定书》框架下固碳工作。 另外，IPCC已经启动了两个有关碳循环的补充评估 的活动，一个是有关 CO 固定 的专 门报告，这个报 告预计将于 2005年完成，另一个是与研究团体开展 合作，以更好的认识目前陆地碳汇状况的成因机制 和人类活动的影响。 3 制度和条件支持 建立全球碳循环的综合观测体系并实现其观测 目标是一项复杂的工作，首先因为碳循环与国际和 国家层面的政治经济结构(如能源系统)有复杂关 系，因此要结合 国际和国家层面的碳观测项 目、各国 或地区的碳排放状况及其气候政策，建立全球碳循 环观测的有效框架，构建全新、协调和稳定的新的制 度框架。图 2显示了全球碳循环观测协调体系的建 议性框架。框架设计是以联合国气候变化框架公约 (UNFCCC)及其科技咨询附属机构(SBSTA)、各国 的研究计划等主要用户的投入和数据生产者的数据 提供为基础的，并在 IGCO执行小组、地球观测卫星 委员会 (CEOS)以及 包 括全 球 海 洋 观测 系 统 (GOOS)、全球陆地观测系统(GToS)和全球气候观 测系统 (GCOS)等全球观测系统以及现场观测系统 之间建立紧密的联系，并相互协调。IGCO执行小组 负责系统的监控和运行 。 其它活动： W 卜 GAⅣ  G006 GT06 CB0s 用户投入 指导与监督 数据提供 图2 全球碳循环一体化观测协调体系框架 除了政策和协调机制等方面的支持，建立全球 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 4期 曲建升等：建设全球碳循环一体化观测的协调体系——基础、条件 任务与目标 457 碳循环一体化观测协调体系，还在很大程度上依赖 于先进技术和设备的应用： (1)保障数据采集、保存和开发的设备和技术 需求。在未来的研究中，需要不断开发先进的算法， 而且这是将来的工作核心，因此，操作系统的配置一 定要足够强大，保证能够在 2o15年之前都能满足观 测行动的需要 。 (2)针对大气中的CO 气体、海水溶解 COz和 陆地生态系统通量的观测开发低成本、低维护费用 的实地传感器。 (3)发展和实施从太空观测 CO 的遥感技术。 (4)改进基于国家清单和／或遥感观测的生物 量估算。 (5)发展通过严格测试所 验证 的、适应 系统性 观测要求的碳循环观测模型，以用来提供碳循环状 态的常规诊断信息。 (6)加强数据的融合、相互比较、存档、分发工 作 ，以支持模式的发展与应用 。 4 建设 目标 4．1 总体建设目标 IGCO建立全球碳循环一体化观测协调体系的 总目标是在未来十年建立灵活而稳固的策略以有效 地实施全球碳循环的系统性观测 ，建设 目标如下 ： (1)提供必要 的长期观测以增进对全球碳循环 的现状和未来变化趋势的认识，特别是要提高对全 球大气 CO：含量的控制因素的认识。 (2)在全球尺度上监控和评估 固碳能力和碳减 排行动的效果 。 其中，第 一个 目标既有基本 的研究又有政策成 分，而第二个目标则瞄准在控制温室气体排放的国 际谈判过程中为政策制定者们提供直接可用的信 息。 4．2 2011年前的建设目标 (1)在陆地、海洋和航空剖面上大气 COz监测 网络建设到位，以陆地上 5。*5。和海洋上 10。*10。 的典型空间分辨率在全球范围内实现精度为 o．2 ppmv的 CO 现场连续分析 。 (2)涡度相关观测塔网络增加新的观测塔，并 在纷杂的生态系统中拓展和校准 ，功能也进一步增 强 。 (3)全球土壤碳含量的数据以 1。*1。的栅格分 辨率每 5年更新一次。森林生物量变化数据每 5年 (或更短时间)更新一次，来 自不同国家机构的数据 在地理参考的基础上可以获取。 (4)在海盆尺度上，大范围实施现场取样的表 层 CO：分压观测系统。 (5)陆地卫星产品得到评估并被应用于基于过 程的陆地生态系统模型中。 (6)海洋卫星产品得到评估并被吸收到海洋业 务模型中，以提高碳循环研究的能力。 (7)测量 CO：和其它含碳化合物浓度柱的新卫 星发射运行 。 (8)建模团体将在模型中吸收观测所得数据， 以确定碳源和汇以及大气中碳类化合物未来的演变 趋势 。 5 观测任务 全球碳循环一体化观测协调体系的策略首先是 GCOS、GTOS和 GOOS等碳观测行动的交叉，其核 心内容是观测 ，实际上 ，整个系统就建立在这些基于 研究的观测之上，并依靠一些核心的观测团体，协调 开展碳循环 的通量、碳库和过程三项主题 内容的观 测。 5．1 通量：数量和分布 本项观测的任务是量化地表和大气之间 COz 通量的分配和变率。主要包括： (1)柱 向卫星观测在全球尺度 (所有纬度和季 节)上把大气中的CO：分布以至少百万分之一的精 度进行综合。这些观测 目前还不存在，需要给予很高 的优先权进行建立 。 (2)大气本底站和取样点的最优观测网络最少 具有千万分之一的精确度。这些观测在目前还主要 通过全球 100个站点以调查方式实现，需要增加在 水平和垂直方向的覆盖，将大陆内部和缺少样品的 地区纳入观测。需要开发具有低成本高效益的传感 器，增加观测平台系统利用 的机会。 (3)建立连续观测陆地生态系统 CO：、能量和 水汽通量的观测塔的最优网络。目前，这些观测是由 100个观测塔组成的研究网络实现的。这个网络需 要长期维持，并且使其职能在生态系统类型、连续观 测和土地利用强度 3个方面扩大。 (4)协调、联合研究船、随机船只和漂流物的观 维普资讯 http://www.cqvip.com 458 遥 感 技 术 与 应 用 第 20卷 测行动，构建全球海洋CO。分压的测量系统。到 目 前为止，这些观测大约实现了 100次出航。发展一个 全球尺度的海洋碳观测业务网络所面临的最大挑战 是缺少用来测量海洋 CO。分压的精确、耐用、节省 成本的自动传感器。 (5)在那些缺少现场观测的地区，需要利用卫 星开展连续的长期观测，为评估地表一大气 COz通 量提供参数。这些至关重要的卫星观测内容包括：陆 地覆盖情况及其影响范围和强度、与植被相关的参 数、海洋水色变化以及控制大气和海洋CO。通量的 辅助参数等。 (6)化石燃料产生的CO。排放量的变化趋势和 不确定性分布图。这些观测是反演计算的重要限制 条件，并对政策制定具有重要作用。 利用这些观测来量化地球表面和大气之间的 CO。通量分配及其变率，需要放大估计和缩小估计 的调和。大气传输模式需要缩小大气 CO。对碳通量 的输入；而碳循环通量模式需要运用遥感参数放大 现场观测数据。 一 旦碳观测系统开始正常运转，模型数据融合 技术将吸收上面列出的关于碳测量的数据流，以便 对处在陆地上方 10 km和海洋上方 50 km范围内 的全球的CO。通量场做出一致的精确估计，这种估 计将每周进行一次。 5．2 碳库 ：规模、分布和变化 这一部分的观测将主要集中在以下 3个主要碳 库的变化上。 (1)森林中位于地表上方生物总量的测量，将 通过每 5年开展一次的现场调查(建立清单)方法， 以及可更频繁开展监测的遥感技术进行估算。 (2)土壤碳储量将主要通过现场调查的方法每 隔10年评估一次。这些观测材料已经在评估森林的 商业价值和土壤质量的基础上收集到。但是，这些观 测还需要延伸到未管理的森林，并转换成适于碳循 环 研 究 的 数 据，同 时 也 需 要 在 地 理 参 考 (georeferenced)的基础上具有可操作性。 (3)主要海盆中溶解的 CO。总量，将每隔 5～ 10年测量一次，以评估海洋表面所吸收的人为 CO。 量。这样的观测非常重要，目前，一些研究团体正在 开展，但他们的观测需要进行系统地协调，观测结果 需要进行仔细的校准，就观测范围而言，还需要扩展 到较少取样的海洋涡流区。 在以上 3个碳库所测到的碳储量的变化对于碳 循环计算的平衡是至关重要的，也是对观测系统的 基本检验，并对今后碳预算的再次分析极为必要。 5．3 过程：通过观测建立通量与过程间的联系 在全球碳循环观测的协调体系中，本项是与碳 循环动力学相关的测量。基于过程的碳循环模型的 改进是 GCP策略的一个关键成分，因为模型是在对 碳循环行为观测的基础上发展和测试的。例如，观测 到的通量模式为潜在的基本过程(如，大气一海洋的 气体交换、海洋和陆地的初级生产力、海洋不同水层 的变化以及从表层到深海的碳输送、光合作用、呼吸 作用、化石燃料燃烧排放、生物燃烧)等提供了重要 的信息。几乎所有的观测都用于研究领域中的模式 开发以预测未来趋势，但以下两项观测主要用来评 估碳通量并揭示潜在过程的信息，因而它们成为核 心的观测内容。 (1)火灾分布(热点)和火灾面积与程度的观 测，用以估计燃烧过程中释放的碳通量。从全球范围 来看，火灾是最重要的生态干扰因素，每年有 2～ 4 Gt碳来 自于火灾。现在，遥感技术可以监控火灾的 分布状态和影响区域范围，对于火灾热点应该每日 (或少于每日)监测一次，火灾面积监测则可每月进 行。 (2)土地覆盖变化的观测用来估计与森林砍伐 和恢复相关的碳通量。地表植被的变化对CO。排放 的贡献突出，通常估计是每年 1．5～20 Gt碳。地表 覆盖的常规观测将每 5年开展 1次，空间分辨率为 1 km 。 这些观测成果将和端对端数据分析系统相结 合，以获取高质量的产品，最终这些数据产品将对世 界各地的科学组织、资源管理和决策团体免费开放。 参考文献 ： [1) Houghton J T，Drag Y，Gdggs D J，以 a1．Climate Change 2001 l Synthesis Reportl Third Assessment[M)．Cambridgel Cambridge University Press，2001． C2) IGOS．Integrated Global Carbon Observation Theme．http l／／ ioc．unesco．org／igospartners／index．htm．2OO4—1 1—20． [3) 孙成权，曲建升 ．国际地球科学发展态势CJ]．科学新闻， 2002，(3)l 24． C43 曲建升，孙成权，张意强，等．全球变化科学巾的碳循环研究进 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carbon cycle observation．And then，the goals and tasks of the new observation system are put forward．The future tasks of the system ， which include (1)the magnitudes，distributions and changes of the carbon pools；(2)magnitudes and distributions of the carbon fluxes；(3)process of the carbon cycle，are addressed at the end． Key words：Global carbon cycle，Satellite observation，In situ observation，Carbon observation 维普资讯 http://www.cqvip.com 

建设全球碳循环一体化观测的协调体系

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