知识|惊人的二氧化碳模拟图：碳循环研究的重要一步

《测绘学报》

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NASA一项最新的超级计算机项目利用了卫星测量的二氧化碳数据，结合复杂的地球系统模型，呈现出目前为止还原度最高的图像，展示了二氧化碳，这一最重要的温室气体，在大气中是如何运动的。

近几十年中，科学家依靠一些地点的地基传感器来追踪具有吸热能力的二氧化碳浓度上升的情况。最新的数据成果用高分辨率的可视化结果提供了一个完全不同的观测角度，其数据来自由NASA位于加州帕萨迪那的喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory, JPL）负责建造和运行的轨道碳观测者2号（Orbiting Carbon Observatory-2, OCO-2），可视化结果由NASA位于马里兰州格林贝尔特（Greenbelt）的戈达德航天飞行中心（Goddard Space Flight Center）的全球建模与同化办公室（Global Modeling and Assimilation Office, GMAO）生成。

3D可视化结果以惊人的细节呈现了2014年9月至2015年9月期间二氧化碳在全球大气层中增加，减少和流动时形成的复杂图样。以下是二氧化碳通过大气层的视频。

二氧化碳在地球大气层吸收热量方面起着重要作用。一些人类活动比如燃烧化石燃料会排放一些气体，而二氧化碳的浓度则随季节变化移动和增减。借助OCO-2的观测数据，科学家们将2014年9月1日至2015年8月31日期间大气中的碳移动轨迹建模。通过这样的模型，科学家能更好地理解与预测人类在地面的行为会使哪里的二氧化碳浓度呈现高值或低值。
来源：NASA戈达德航天飞行中心/K. Mersmann, M. Radcliff

大气中的二氧化碳就像地球的恒温器。温室气体浓度上升导致地球目前长期处于变暖的趋势中，背后最主要的原因就是燃烧化石燃料获取能源的行为。可视化图像中突出了科学家目前正在研究的方向，他们试图理解控制排放出的二氧化碳在大气中的留存量和留存时间—这些问题会最终将决定地球未来的气候。

科学家了解到近半数人类活动生成的气体排放物被陆地和海洋吸收了。目前的结果显示50%左右的气体排放物留在了大气中，25%被陆地上的植物吸收，25%被海洋吸收。但是这看似简单的数字却留给科学家留下了一系列复杂的重要问题：生态系统，尤其是陆地上的，能吸收多少二氧化碳？也许其中最重要的是，随着排放量的上升，陆地和海洋的吸收率还能保持在这个比例么，或是会达到饱和？

NASA戈达德航天飞行中心OCO-2科学组中的碳循环科学家Lesley Ott解释说新的数据集是回答这些问题的重要一步，科学家需要理解驱动“碳通量”（二氧化碳在大气，陆地和海洋间的流通交换）的整个过程。

“我们还不能以高分辨率测算全球范围内的碳通量情况，”她说，“我们正尝试在建造的工具能提供精确的图像，告诉我们大气中发生了什么，并将其转化成一幅便于我们理解碳通量变化的精确图像。我们还有很长的路要走，但是这是在探索二氧化碳之旅中重要和必须的一步。”

关于轨道碳观测者2号(OCO-2)

2014年7月2日，美国联合发射联盟(United Launch Alliance)的德尔塔2号运载火箭搭载OCO-2从范登堡空军基地发射升空，将测量全球的二氧化碳分布。

OCO-2于2014年发射升空，是NASA第一台专门用于测量区域内大气二氧化碳含量而设计制造的卫星。

“自从2014年9月以来，OCO-2每天都能传回近10万条全球二氧化碳估值数据，OCO-2科学组组长David Crisp说，“我们在GMAO的同事开发的建模工具对于分析和解读这样的高分辨率数据集特别关键。”

GMAO之前在GEOS地球系统模型中纳入了二氧化碳数据，该模型被用于各种大气相关研究中。新的数据产品在上述成果的基础上利用数据同化技术在模型上结合了OCO-2的观测结果。“数据同化是将模型模拟结合真实测量数据的过程,其所需的精度，分辨率和覆盖范围反映了我们对二氧化碳在地球表面和大气中交换过程的最好理解。”GMAO研究员Brad Weir解释道。

可视化结果以领域内前所未有的细节度展现了全球二氧化碳的信息：一年内北半球二氧化碳的升降；大陆，山脉和洋流对气候图像以及因此对二氧化碳移动的影响；例如美国大农业带这样的地区，其高度活跃的光合作用所引起的区域性影响。

尽管细节丰富的二氧化碳起伏很吸引眼球，这也提醒了GMAO主任Steven Pawson科学家们正用电脑建模地球系统的进度。未来的一个方向是将更复杂的生物学模块整合到模型中，从而对森林和其他陆地生态系统中二氧化碳吸收和释放相关问题采取更有针对性的研究。

这次呈现的结果展示了NASA在地球观测和建模中独特的能力。同时也强调了NASA各中心间内部协作能力和计算能力的价值。同化利用了一个叫戈达德地球观测系统模型5（Goddard Earth Observing System Model-5, GEOS-5）的模型，由戈达德NASA气候模拟中心的发现者号超级计算机集群运行。

“把数据整合到一起就花了我们好几年的时间，”Pawson说，“这次数据集中的细节度之高，让我们对于模型和观测结果开始呈现一致的碳循环结果感到很乐观。”（内容来源：NASA中文官网）

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