城市复合生态系统碳循环过程与机理研究

With urbanization, urban areas have become a hotspot of studies on the global carbon cycle. The work on measuring and modeling processes and mechanisms of carbon cycle in and around urban areas is just emerging internationally. Here, we study processes and mechanisms of carbon cycle in urban areas from the perspective of urban complex ecosystems. First, we will build a high spatial and temporal resolution urban carbon emission inventory and the observation sites of carbon cycle of urban complex ecosystems. Moreover, we will build a framework and methodology for building high spatial and temporal resolution urban carbon emission inventory. Second, we will use an atmospheric transport model and the urban carbon emission inventory to simulate urban CO2 concentrations and validate the results with field measurements. Based on this approach, we will assess the accuracy of urban carbon emission inventory and analyze error sources in the modeling process. Finally, we will apply an atmospheric inverse model to integrate the urban carbon emission inventory and measured urban CO2 concentrations to estimating urban surface CO2 fluxes and associated uncertainties. Urban surface CO2 fluxes are usually in the form of urban net CO2 emissions. Thus, estimating urban surface CO2 fluxes is estimating urban CO2 emissions. In all, this work will improve the methods for measuring and modeling carbon cycle of urban complex ecosystems, facilitate understanding of processes and mechanisms of carbon cycle in urban complex ecosystems, clarify the structure and spatial-temporal characteristics of urban carbon sources and sinks, and provide the scientific basis for urban decision makers to take practical steps to reduce CO2 emissions and increase carbon sequestration in the study area.

随着城市化的演进，城市已成为全球碳循环研究的热点区域。国际上对城市碳循环过程与机理进行观测与模拟的研究工作刚起步。本研究从城市复合生态系统的角度来研究城市碳循环的过程与机理。首先，建立城市高时空分辨率碳排放清单并建立城市碳循环定位观测点。在此基础上形成城市高时空分辨率碳排放清单建设的方法体系。其次，基于城市碳排放清单与大气传输模型模拟城市大气CO2浓度，并将结果与观测值对比。据此评价城市碳排放清单的准确性与分析结果的误差来源。最后，建立大气反演模型，融合城市碳排放清单与大气CO2浓度观测数据，估算城市地表CO2通量及其不确定性。城市地表CO2通量一般表现为CO2净排放。因此，估算CO2通量即估算城市CO2排放量。本研究将完善城市复合生态系统碳循环观测与模拟的技术方法，增进对城市复合生态系统碳循环过程与机理的认知，厘清研究区城市碳源碳汇结构与时空特征，为城市减少碳排放、增加碳汇提供科学依据。

目前国际上仅有为数不多的几个研究团队成功开展了城市尺度的碳循环观测与模拟工作。国内在该方面的研究工作有待开展与加强。本研究从城市“自然-经济-社会”复合生态系统的角度来研究城市碳循环。首先，选择不同城市绿地类型并建立了城市自然生态系统碳循环定位观测点，并应用遥感光合效率模型模拟了高时空分辨率城市自然生态系统碳通量及其对环境因素变化的响应。其次，以深圳市为例建立了适用于中国城市的高时空分辨率碳排放清单建设的方法体系，包括城市工业、城市交通、城市建筑和城市自然生态系统的碳通量。最后，建立城市尺度大气反演模型，融合城市大气二氧化碳浓度观测数据与高时空分辨率城市碳排放清单，估算城市地表碳通量并分析结果的不确定性。本项目开发了一套综合模拟框架，通过构建大气反演模型融合城市地表大气二氧化碳浓度观测数据与高时空分辨率碳排放清单，估算了深圳市地表小时尺度碳通量同时提供了估算结果的不确定性。该估算结果相对于仅使用碳排放清单作为城市地表碳通量的估算结果的不确定性明显减小。模型输出的主要结果包括城市地表通量、碳通量估算结果的不确定性以及每个城市碳排放部门的贡献量。本项目的研究结果还表明城市化导致的温度升高对亚热带地区城市生态系统的碳固定产生进一步的抑制作用。这意味着未来全球变暖可能削弱热带和亚热带地区生态系统的碳固定能力。本项目完善了城市碳循环观测与模拟的技术方法，增进了对城市自然-经济-社会复合生态系统碳循环过程与机理的认知，厘清了案例研究城市的碳源碳汇结构与时空特征。