陸地植被排放生物源揮發(fā)性有機(jī)物（BVOCs）排放占全球揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）總排放量90%左右，且大氣反應(yīng)活性強(qiáng)，在調(diào)控臭氧（O3）、二次有機(jī)氣溶膠（SOA）以及大氣氧化能力起著關(guān)鍵作用，深刻影響區(qū)域空氣質(zhì)量及全球氣候變化。然而，影響B(tài)VOCs排放因素復(fù)雜，特別是在受人為活動干擾比較強(qiáng)烈的城市和森林邊緣，植被覆蓋類型等因素動態(tài)變化大，如何精確、快速在多尺度估算其排放是長期困擾科學(xué)界的難題之一。
8月28日，由中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所王新明研究員團(tuán)隊(duì)張艷利研究員和其博士生冉浩汎，與清華大學(xué)張強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)和加州大學(xué)爾灣分校的Alex Guenther教授合作，開發(fā)的GEE-MEGAN模型為解決這一難題取得了突破性進(jìn)展。GEE-MEGAN以其高時空分辨率的BVOCs建模，揭示了關(guān)鍵區(qū)域與以往傳統(tǒng)BVOCs模型估算的巨大差異(全球主要城市差異高達(dá)~25倍、在亞馬遜毀林弧相差約80%）。該研究成果以“Improved modelling of biogenic emissions in human-disturbed forest edges and urban areas”為題發(fā)表在《Nature Communications》 期刊。
???構(gòu)建GEE-MGEAN模型
GEE-MEGAN對于廣泛應(yīng)用的MEGAN2.1模型（Alex Guenther教授于2012年開發(fā)）做出了重大的改進(jìn)。該模型利用Google Earth Engine（GEE）強(qiáng)大遙感云計(jì)算能力，融合多遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)（如MODIS、Landsat、Sentinel等）和機(jī)器學(xué)習(xí)算法（圖1），改進(jìn)了靜態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)排放因子地圖和葉面積指數(shù)（LAI）估計(jì)，實(shí)現(xiàn)了10-30米空間分辨率、近實(shí)時的BVOCs排放模擬，為研究BVOCs排放帶來的空氣質(zhì)量與氣候效應(yīng)提供了有力工具。
圖1 GEE-MEGAN模型與傳統(tǒng)BVOCs估算模型MEGAN的異同
????相較于傳統(tǒng)MEGAN模型，GEE-MEGAN模型顯著優(yōu)化了城市和森林邊緣這些受人為活動擾動相對較大地區(qū)的BVOCs排放估算。與已有站點(diǎn)通量觀測比較，減少了均方根誤差（RMSE）21.6-48.6%，同時觀測與估算值相關(guān)性也得到提升。更重要的是，GEE-MEGAN展現(xiàn)了出色的空間分辨率能力，對城市區(qū)域的BVOCs排放熱點(diǎn)捕捉與真實(shí)世界的綠地分布表現(xiàn)出高度一致（圖2）。
圖2 GEE-MEGAN和傳統(tǒng)MEGAN2.1模型在巴黎、洛杉磯、倫敦和北京針對異戊二烯排放模擬與Google地圖影像植被空間分布的對比
城市區(qū)域BVOCs排放被低估
在北京、倫敦、巴黎和洛杉磯等大型城市，GEE-MEGAN模型估算夏季BVOCs排放量相較傳統(tǒng)MEGAN2.1模型差異巨大，最高可達(dá)25倍（圖3），這主要源于GEE-MEGAN能夠識別城市中植被破碎的空間分布，精準(zhǔn)捕捉城市中微小植被斑塊，從而能更好地捕捉傳統(tǒng)粗分辨率模型所未能分辨的BVOCs排放熱點(diǎn)。因此，GEE-MEGAN可助力更好地定量研究評估BVOCs在城區(qū)排放占比、溫度依賴性及其與人為源污染物相互影響等重要問題。
圖3 GEE-MEGAN（M2）與MEGAN2.1（M1）針對北京、巴黎、洛杉磯和倫敦的BVOCs排放估計(jì)對比
亞馬遜熱帶雨林毀林弧BVOCs排放被高估
GEE-MEGAN具備全球無縫的模擬能力，在全球最大的BVOCs排放源區(qū)—亞馬遜熱帶雨林，也表現(xiàn)出卓越的空間精度模擬能力（圖4）。亞馬遜森林邊緣受人為影響強(qiáng)烈，存在著名的所謂“毀林弧”（Arc of Deforestation）。在此地區(qū)，傳統(tǒng)MEGAN2.1模型相較于GEE-MEGAN，BVOCs排放量被顯著高估，局部區(qū)域甚至相差達(dá)77%，整體平均高估幅度為31%。GEE-MEGAN模型通過高分辨率數(shù)據(jù)精準(zhǔn)反映出擾動區(qū)域的真實(shí)BVOCs排放水平，整個亞馬遜區(qū)域總排放量較MEGAN2.1降低了13%左右，這對準(zhǔn)確評估人類活動對全球森林?jǐn)_動產(chǎn)生的BVOCs變化及其空氣質(zhì)量和氣候變化效應(yīng)極為重要。
圖4 GEE-MEGAN與MEGAN2.1對亞馬遜區(qū)域2019年8月異戊二烯排放估算的比較
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GEE-MEGAN雖然展現(xiàn)出高時空分辨率模擬能力，但應(yīng)用起來更加快捷便利。例如：在500米分辨率下針對南美洲（南緯60°–北緯13°，西經(jīng)35–90°）進(jìn)行BVOCs排放模擬，在本地Intel Xeon Gold 6230R CPU（2.1 GHz）上運(yùn)行，傳統(tǒng)MEGAN2.1每個物種需要約737秒才能完成模擬，而GEE-MEGAN每個物種僅需7-9秒即獲得相當(dāng)結(jié)果，處理速度提升100倍左右，數(shù)據(jù)傳輸量減少了97-99%，即使對更大規(guī)?；蚋叻直媛蕬?yīng)用，也能實(shí)現(xiàn)高效處理。這種排放估算從“陽春白雪”飛入“尋常百姓家”，可成為城市綠化和氣候緩解策略方面的輔助工具，從而為城市規(guī)劃者提供精細(xì)到社區(qū)甚至街道級別的數(shù)據(jù)支持，幫助其在實(shí)施綠化項(xiàng)目時有效評估空氣質(zhì)量和氣候效益，優(yōu)化綠化策略。以美國洛杉磯為例，其251個社區(qū)中，GEE-MEGAN估算BVOCs排放量比傳統(tǒng)MEGAN估算值平均約高23倍（圖5），相應(yīng)的大氣反應(yīng)性和二次產(chǎn)物生成潛勢也會有很大不同。隨著全球變暖加劇，由于BVOCs影響O3和SOA生成乃至甲烷大氣化學(xué)壽命，在全球范圍和城市尺度準(zhǔn)確評估BVOCs這些短壽命活性氣體排放的重要性正在日益凸顯。GEE-MEGAN通過近實(shí)時、高精度的排放模擬，極大地提高了我們對植被與大氣相互作用的理解，在BVOCs排放及氣候反饋、人為活動對自然系統(tǒng)擾動、生物圈-大氣圈相互作用研究中具有應(yīng)用潛力。
圖5. 洛杉磯GEE-MEGAN與傳統(tǒng)MEGAN模擬BVOCs排放空間分布對比
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本研究受到王新明研究員主持的國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和彭平安院士主持的廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目等聯(lián)合資助。
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論文信息：
Zhang Y.（張艷利）,Ran H.（冉浩汎）,Guenther A.,Zhang Q.（張強(qiáng)）,George C.,Mellouki W.,Sheng G.（盛國英）,Peng P.（彭平安）,Wang X.（王新明）*.?Improved modelling of biogenic emissions in human-disturbed forest edges and urban areas. Nature Communications,16,8064 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-63437-8
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