碳循环遥感主要研究内容和科学问题

        自工业革命以来,人类活动引起的二氧化碳(CO2)等温室气体排放已经对全球气候、生态安全和人类社会经济发展造成了显著影响。厘清全球碳循环过程中主要碳储量和通量的格局和变率、阐明碳循环动态变化的过程和机制、提出未来碳-气候-人类系统变化和碳管理策略,是全球碳计划(GCP)科学框架的三大主题(GCP, 2003),即监测(量化)、理解(归因)和管理(预测)。其中,监测/量化是最基础和核心的科学问题。海洋是全球最大的活跃碳储库,在调控地球生态系统及全球气候变化中起关键作用,蓝色碳汇亦已成为国际社会关注的焦点。由于缺乏足够时空分辨率的观测数据,目前基于实测的海洋碳汇估算结果仍存在很大的不确定性和挑战。卫星遥感实时、大范围、长时序稳定的观测数据,在海洋碳通量和储量监测评估及海洋碳循环研究中具有极大的优势,也是推动海洋碳循环水色遥感应用发展的源动力。


        

        碳循环是地球生态系统的核心,它是指碳元素在大气(主要以CO2的形式)、海洋(表层水域、中层水域、深层水域及海洋沉积物)、陆地生态系统(植被、凋落物和土壤)、河流和入海口以及矿物燃料等不同碳库之间的迁移和转换(GCP,2003)。海水中碳存在的基本形式可分为有机碳和无机碳两类,即:颗粒有机碳(POC)、溶解有机碳(DOC)、颗粒无机碳(PIC),溶解无机碳(DIC)以及海水CO2分压(pCO2)。从浮游植物固碳的角度,海洋碳循环相关的参数还包括浮游植物吸光能力(传统上用叶绿素浓度表征)、初级生产力,以及浮游植物功能类群和粒径大小、浮游植物碳库含量、碳和叶绿素比(C:chla)等。有机碳库储量通常包括,某一深度水柱积分的POC和DOC总量或浮游植物碳库总量。从不同界面层的碳通量来说,包括海-气界面碳通量、POC向下输出通量、陆源入海碳通量、有机碳侧向输运通量等。

        近年来,借助多学科交叉研究,通过对海洋生物地球化学过程及碳循环调控机理进行解析和量化,研究人员在海洋碳循环遥感这一新兴领域取得了不少创新成果,并逐渐形成体系,也充分体现了卫星遥感在海洋碳循环研究的优势。相对于传统海洋碳循环研究,基于遥感的海洋碳循环研究关键科学问题更关注于:(1)在不断变化的海洋碳系统中,各界面碳通量及内部碳储量的遥感反演机理;(2)碳参数的控制机制及量化方法、时空分布格局和演变及对全球变化的响应,减少碳通量和储量估算的不确定性。