利用遥感观测数据揭示阿拉伯半岛大气中二氧化碳（CO?）的多尺度变化特征

二氧化碳浓度多时间尺度变化及城市排放源监测研究，利用GOSAT、OCO-2和OCO-3卫星数据（2010-2023），揭示阿拉伯半岛昼夜、季节及年际二氧化碳浓度波动规律，发现春季峰值与夏季低谷的植被响应特征，2015-2016年厄尔尼诺事件导致浓度上升，并通过ODIAC排放清单量化达曼、利雅得等城市化石燃料排放贡献。

　　

作者：Chiranjit Das、Ravi Kumar Kunchala、Rama Krishna Karumuri、Harikishan Gandham、Debanjan Paul、Hari Prasad Dasari、Ibrahim Hoteit

印度新德里印度理工学院大气科学中心

摘要

由于人类活动，阿拉伯半岛（AP）上的二氧化碳（CO₂）水平正在上升，但由于现场监测站点有限，人们对AP范围内CO₂变化的理解仍然有限。卫星为监测AP地区的CO₂时空变化提供了宝贵的替代方案。本研究利用温室气体观测卫星（GOSAT）以及轨道碳观测站（OCO-2和OCO-3）的数据集，分析了2010年至2023年间AP地区干空气中CO₂摩尔分数（XCO₂）的多尺度（日变化、季节性变化、年际变化和长期变化）特征。与GOSAT相比，OCO-2/3发射后，AP地区的卫星观测次数增加了近100倍。具体而言，OCO-3在中午时段（7至11 UTC）捕获了大量的XCO₂测量数据，而在早晨和傍晚（3、14和15 UTC）的观测数据较少。研究结果表明，XCO₂具有明显的日变化模式，这种变化反映了太阳辐射对生物圈活动的影响。XCO₂还表现出明显的季节性周期，春季达到峰值，夏季降至最低值，这些变化主要由生物圈活动驱动。所有卫星数据均显示，年XCO₂变化范围为2.35–2.54 ppm/年，并且2015–2016年的厄尔尼诺事件在GOSAT和OCO-2数据集中都有体现。此外，对化石燃料CO₂足迹的分析显示，城市地区（如达曼、利雅得、吉达、迪拜）的XCO₂浓度平均比背景浓度高出约1 ppm，根据ODIAC的排放数据，这相当于平均每天每平方米30克碳的化石燃料排放量。

引言

二氧化碳（CO₂）是一种寿命较长的温室气体，它会在地球大气中捕获向外的红外辐射，导致全球变暖，从而改变天气模式，加剧极端事件，并在区域和全球范围内破坏气候系统（IPCC，2021）。过去十年（2010-2019年）大气中CO₂浓度持续上升，平均每年增加2.39 ppm，这一现象主要由人为的化石燃料排放和土地利用变化驱动（Canadell等人，2021），并与气候系统的广泛影响相关，包括全球变暖（Masson-Delmotte等人，2018）、海洋酸化（Turley和Gattuso，2012）、气候异常（Solomon等人，2009）以及其他环境效应（例如He等人，2023；Shaver等人，2000；IPCC，2021）。在过去四十年中，根据《联合国气候变化框架公约》（UNFCCC），制定了多项国际协议，如《京都议定书》、《巴黎协定》和《格拉斯哥气候协定》，旨在减少CO₂排放，增强碳汇的能力（例如通过植树造林和二氧化碳去除），并尽量减少与气候相关的风险。这些协议的核心目标是准确追踪CO₂的来源和汇，并理解控制大气中CO₂动态的过程，这对于制定有效的气候缓解策略至关重要。许多研究强调了建立全面的CO₂监测网络的迫切需求，以更深入地了解CO₂的动态，监测变化和趋势，并准确估计区域内的来源和汇（例如Patra等人，2013；Das等人，2022）。特别是，了解阿拉伯半岛（特别是沙特阿拉伯王国KSA）大气中CO₂水平上升的关键驱动因素，对于制定有针对性的缓解策略和制定有效的环境政策至关重要。一个主要挑战是地面CO₂监测站点的密度有限，尽管它们可以提供高精度的局部测量数据，但缺乏全面捕捉区域CO₂变化所需的空间覆盖范围（Scholes等人，2009）。基于卫星的遥感技术提供了一种有效的方法，可以在不同的空间和时间尺度上检测CO₂的变化。由于其广泛的覆盖范围和对大气动态较低的敏感性，卫星观测显著提高了我们对区域和全球层面大气CO₂过程的理解（例如Frankenberg等人，2012；O'Dell等人，2012；Kumar等人，2014，Kumar等人，2016a，Kumar等人，2016b；Kunchala等人，2022；Das等人，2023）。关键的卫星任务，如2009年发射的温室气体观测卫星（GOSAT；Kuze等人，2009）、2014年发射的轨道碳观测站-2（OCO-2；Crisp等人，2004）以及2019年安装在国际空间站的轨道碳观测站-3（OCO-3；Eldering等人，2019），在全球CO₂监测中发挥着关键作用。这些任务提供了干空气中CO₂的摩尔分数（XCO₂；Crisp，2008；Kuze等人，2009），使得能够评估不同时空尺度上的CO₂分布。虽然这些卫星最初是为区域和大陆尺度的碳循环科学设计的，但检索算法、仪器和小范围测绘能力的进步扩大了它们评估人为CO₂排放的潜力（例如Bovesmann等人，2010；Kort等人，2012；Hakkarainen等人，2016；Janardanan等人，2016）。特别是GOSAT的广泛垂直覆盖范围和长时间跨度使其在研究长期源-汇动态方面发挥了重要作用（Basu等人，2013；Mustafa等人，2020）。将高分辨率卫星数据与地面观测和先进的建模技术相结合，进一步增强了确定碳源和汇的能力，理解大气传输过程，并支持有效的气候缓解策略的制定（Pan等人，2021；Hu等人，2024）。2018年，沙特阿拉伯在全球化石CO₂排放量中排名第11位，这主要是由于其经济持续依赖化石燃料，尤其是石油和天然气（Alajmi，2021；IEA，2019）。2017年，其在石油相关排放量中排名第6位（每年120万桶），在电力消耗量中排名第13位（2950亿千瓦时）（Alajmi，2021）。这种对化石能源的严重依赖直接导致了KSA大气中CO₂浓度的上升，这一点通过最近的卫星任务得到了证实（Golkar和Mousavi，2022；Fonseca和Francis，2024）。最近，Fonseca和Francis（2024）利用OCO-2观测数据研究了整个中东地区的CO₂时空变化。分析2014年至2023年的数据，他们报告了CO₂浓度的显著季节性变化，这些变化受到人为排放的强烈影响。然而，目前仍缺乏全面分析CO₂的多尺度（日变化、季节性变化、年际变化和长期变化）以及排放与KSA及其周边地区观测到的XCO₂增加之间的联系的研究。国家能源效率计划（2008）强调了提高KSA及其周边地区能源效率的重要性，以应对气候变化，提出了两个关键好处：（i）降低能源消耗可以减少排放；（ii）成本效益高的能源有助于实现气候目标。尽管如此，由于KSA地区对化石燃料的严重依赖，特别是电力生产，减少排放仍然是一个重大挑战。最近的卫星任务，如OCO-2和OCO-3，在追踪来自局部来源（包括化石燃料产业和城市地区）的CO₂排放方面具有巨大的未开发潜力（Ahn等人，2025；Ye等人，2020）。因此，有效利用这些卫星数据产品至关重要，特别是在阿拉伯半岛上评估CO₂变化的研究数量有限的情况下（Fonseca和Francis，2024；Golkar和Mousavi，2022）。在这项研究中，我们旨在全面评估和比较来自三个卫星任务（GOSAT、OCO-2和OCO-3）的XCO₂数据产品，并描述阿拉伯半岛在多个时间尺度上的CO₂变化特征，包括日变化、季节性变化、年际变化和半年变化。此外，我们分析了控制这种变化的关键因素，并展示了这些卫星数据集在检测该地区城市化石燃料CO₂排放热点方面的潜力。这些发现提供了有价值的见解，可以支持区域碳监测工作，并有助于实现净零排放目标，包括沙特阿拉伯王国的气候承诺（沙特阿拉伯王国，国家债务管理中心，2024）。

部分摘录

温室气体观测卫星

“IBUKI”温室气体观测卫星（GOSAT）由日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）于2009年发射，旨在从太空测量大气中的CO₂和甲烷浓度（Hamazaki等人，2005）。GOSAT使用傅里叶变换光谱仪收集来自地球表面的反射红外辐射，从而估计近地表CO₂浓度。此外，该卫星还配备了云层和气溶胶成像仪，提供了...

方法

由于GOSAT、OCO-2和OCO-3卫星在第二级XCO₂数据集的空间和时间分辨率上存在差异，直接比较它们的XCO₂数据集具有挑战性。为了解决这个问题，我们首先将高质量的XCO₂观测数据重新采样到统一的1°×1°纬度-经度网格上，以便在AP地区进行比较分析。需要注意的是，阿拉伯半岛上的XCO₂反演可能会受到明亮沙漠表面和尘埃气溶胶负荷的影响...

结果

分析了2010年至2023年期间的长期高分辨率卫星观测数据，以研究从日变化到年际变化的XCO₂变化。这种综合方法捕捉了短期波动和长期趋势，为制定短期/长期目标的政策决策提供了宝贵的见解。

总结与结论

本研究首次使用GOSAT、OCO-2和OCO-3的多卫星观测数据，全面评估了2010年至2023年期间阿拉伯半岛XCO₂的多尺度变化，即日变化、季节性变化、年际变化和长期变化。此外，还结合ODIAC化石燃料排放清单使用了OCO-2和OCO-3的数据，量化了区域热点地区的XCO₂异常，展示了卫星在检测人为影响方面的未开发潜力...

CRediT作者贡献声明

Chiranjit Das：撰写——原始草稿、方法论、正式分析、数据管理、概念化。Ravi Kumar Kunchala：撰写——原始草稿、监督、方法论、调查、概念化。Rama Krishna Karumuri：撰写——审阅与编辑、正式分析。Harikishan Gandham：撰写——审阅与编辑。Debanjan Paul：撰写——审阅与编辑、正式分析。Hari Prasad Dasari：撰写——审阅与编辑、方法论。Ibrahim Hoteit：撰写——审阅与编辑

资助

本研究得到了阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）研究副校长办公室的支持，该资助属于“虚拟红海倡议”项目（资助编号：REP/1/3268-01-01）。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

作者感谢NASA和JAXA分别提供OCO-2、OCO-3和GOSAT数据产品。