我国“碳达峰“战略需要及时准确地核算国内化石燃料二氧化碳（Fossil fuel CO2）排放。当前主流方法基于“自下而上”的排放清单法，排放数据编撰存在一定的时间滞后性和测算不确定性。基于卫星XCO2柱浓度观测产品和“自上而下”地反演方法，可以为地面CO2碳排放/碳通量核算提供独立验证。然而，在传统的卫星XCO2观测同化试验中，或认为FFCO2先验排放准确、固定FFCO2排放不变，仅约束全球或国家区域的年均/月均陆地生态系统和海洋的碳通量，或仅约束卫星过境期间工厂点源FFCO2排放。这两种碳源汇反演方法都无法满足国家和省级尺度FFCO2排放核算的需求。
区域FFCO2排放反演的核心难点在于：（1）CO2是长寿命温室气体，在区域月平均尺度以上，短时FFCO2排放影响XCO2梯度的信号弱。根据文献测算，FFCO2排放下降10%仅导致区域月均XCO2下降0.1-0.2 ppm，低于卫星单一像元XCO2的不确定性水平（～1 ppm）；（2）卫星观测到的CO2浓度波动受自然碳通量和人为排放等多种因素影响，只依据CO2单一浓度观测难以定量识别FFCO2排放的贡献。当前一些研究或者使用碳同位素观测溯源人为排放，但此类观测成本高昂；或者利用霾碳排放同源特性，利用空气污染物排放再分析产品估算FFCO2。然而，由于依赖排放清单的气态污染物和FFCO2先验排放比例，这种协同估算仍然存在不确定性。因此，基于CO2浓度观测（尤其是具备良好时空覆盖的卫星数据产品），如何约束点源尺度以上的FFCO2排放、满足国家和省级尺度碳盘点需求，是当前碳排放反演研究的一个挑战。
图1: 同化卫星XCO2观测约束区域FFCO2排放步骤流程 近期中国科学院大气物理研究所碳中和研究中心相关团队利用卫星XCO2观测，探索了一种通过二次同化XCO2观测，减少FFCO2关联XCO2残差，约束区域FFCO2排放的新方法（图1）。该方法第一步进行传统的自然碳通量优化（固定FFCO2排放），获取XCO2分析场残差。第二步进行残差分析，识别与区域FFCO2排放先验误差关联的XCO2残差分量（Model Residual Error due to FFCO2, MREff）。其中MREff识别依赖FFCO2扰动模拟试验。扰动量参照NOx排放再分析产品并利用FFCO2和NOx先验排放比例。扰动试验产生XCO2逐日响应单位矢量。再将第一步XCO2分析场残差逐日投影在此响应矢量上，由此产生MREff。第三步，二次同化卫星XCO2观测（固定第一步获取的后验自然碳通量），但仅优化FFCO2以减小MREff，最终获得FFCO2后验排放。
研究在GEOS-Chem伴随模式中应用上述分析方法，以我国2020年1月21日-2月9日为研究时段，进行仿真试验和真实观测同化试验。结果表明，由于先验排放清单未考虑该时段的FFCO2排放下降，自然碳通量优化试验产生的XCO2 分析残差MREff呈现正偏峰分布，且大多小于 1 ppm，符合过去的文献测算数据。然而，少数MREff瞬时极值显著大于1 ppm，大于卫星观测不确定性，这是本研究实现区域FFCO2排放反演的基础。
同时，如图2所示，相比于直接优化FFCO2先验排放，以FFCO2和NOx排放比例为优化目标更有利于准确反演。由于NOx相比于CO的短寿命特性，使用NOx协同反演更能捕捉短期的排放下降信号，从而在优化FFCO2和NOx排放比例时得到最优结果。同化真实卫星观测数据显示，相比于考虑了排放下降的排放清单，同化GOSAT XCO2观测估算的我国中东部FFCO2排放比清单数值偏低19%，同化OCO-2 XCO2观测估算的排放比清单数值偏低26%。
本研究验证了新方法约束区域FFCO2排放的可行性。方法局限性包括：（1）需要进一步结合点源反演以减少全球模式格点尺度MREff估算不确定性；（2）需要提升卫星像元尺度XCO2观测质控和极值的分析与筛选，避免在构建XCO2 “超级观测”时使用缺乏时空代表性的观测样本；（3）此外，在多源污染物排放再分析产品的后验订正方向不一致时，如何充分融合后验信息，多因子协同约束FFCO2排放仍然需要进一步研究。
该成果于近期在线发表于Advances in Atmospheric Sciences。论文的第一作者和通迅作者为碳中和研究中心常文渊助理研究员，合作者包括碳中和研究中心杨东旭研究员和LAPC实验室唐晓研究员和孔磊博士。本研究得到了国家重点研发计划（2023YFB3907405）、国家自然科学基金（42175132）和中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划资助（YSBR-037）。
图2: 同化XCO2分析残差以约束区域FFCO2排放仿真试验结果 图2横轴文字含义如下：
•“True value”：包含疫情封控影响的FFCO2排放仿真值;
•“Prior FFCO2”：未考虑封控的FFCO2先验排放；
•“Optimal FFCO2”：同化MREff且直接优化FFCO2先验排放获得的FFCO2后验排放;
•“Prior CO2:CO”和“Prior CO2:NOx”：未同化MREff但利用排放清单中FFCO2和气态污染物先验排放比例、利用CO与NOx后验排放产品，获得的FFCO2排放估值;
•“Optimal CO2:CO”和“Optimal CO2:NOx”：同化MREff且优化FFCO2和气态污染物排放比例，获得的FFCO2后验排放。
参考文献：
Chang, W. Y., D. X. Yang, X. Tang, and L. Kong, 2025: Top–down constraint on regional fossil fuel CO2 emissions in China using GOSAT and OCO-2 satellite XCO2 retrievals: A case of the COVID-19 lockdown. Adv. Atmos. Sci.,doi: 10.1007/s00376-024-4150-6 . http://www.iapjournals.ac.cn/aas ... 7/s00376-024-4150-6
来源： https://iap.cas.cn/gb/xwdt/kyjz/202505/t20250508_7645878.html
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