陆地植被排放生物源挥发性有机物（BVOCs）排放占全球挥发性有机物（VOCs）总排放量90%左右，且大气反应活性强，在调控臭氧（O3）、二次有机气溶胶（SOA）以及大气氧化能力起着关键作用，深刻影响区域空气质量及全球气候变化。然而，影响BVOCs排放因素复杂，特别是在受人为活动干扰比较强烈的城市和森林边缘，植被覆盖类型等因素动态变化大，如何精确、快速在多尺度估算其排放是长期困扰科学界的难题之一。
8月28日，由中国科学院广州地球化学研究所王新明研究员团队张艳利研究员和其博士生冉浩汎，与清华大学张强教授团队和加州大学尔湾分校的Alex Guenther教授合作，开发的GEE-MEGAN模型为解决这一难题取得了突破性进展。GEE-MEGAN以其高时空分辨率的BVOCs建模，揭示了关键区域与以往传统BVOCs模型估算的巨大差异(全球主要城市差异高达~25倍、在亚马逊毁林弧相差约80%）。该研究成果以“Improved modelling of biogenic emissions in human-disturbed forest edges and urban areas”为题发表在《Nature Communications》 期刊。
构建GEE-MGEAN模型
GEE-MEGAN对于广泛应用的MEGAN2.1模型（Alex Guenther教授于2012年开发）做出了重大的改进。该模型利用Google Earth Engine（GEE）强大遥感云计算能力，融合多遥感卫星数据（如MODIS、Landsat、Sentinel等）和机器学习算法（图1），改进了静态的标准排放因子地图和叶面积指数（LAI）估计，实现了10-30米空间分辨率、近实时的BVOCs排放模拟，为研究BVOCs排放带来的空气质量与气候效应提供了有力工具。
图1 GEE-MEGAN模型与传统BVOCs估算模型MEGAN的异同
相较于传统MEGAN模型，GEE-MEGAN模型显著优化了城市和森林边缘这些受人为活动扰动相对较大地区的BVOCs排放估算。与已有站点通量观测比较，减少了均方根误差（RMSE）21.6-48.6%，同时观测与估算值相关性也得到提升。更重要的是，GEE-MEGAN展现了出色的空间分辨率能力，对城市区域的BVOCs排放热点捕捉与真实世界的绿地分布表现出高度一致（图2）。
图2 GEE-MEGAN和传统MEGAN2.1模型在巴黎、洛杉矶、伦敦和北京针对异戊二烯排放模拟与Google地图影像植被空间分布的对比
城市区域BVOCs排放被低估
在北京、伦敦、巴黎和洛杉矶等大型城市，GEE-MEGAN模型估算夏季BVOCs排放量相较传统MEGAN2.1模型差异巨大，最高可达25倍（图3），这主要源于GEE-MEGAN能够识别城市中植被破碎的空间分布，精准捕捉城市中微小植被斑块，从而能更好地捕捉传统粗分辨率模型所未能分辨的BVOCs排放热点。因此，GEE-MEGAN可助力更好地定量研究评估BVOCs在城区排放占比、温度依赖性及其与人为源污染物相互影响等重要问题。
图3 GEE-MEGAN（M2）与MEGAN2.1（M1）针对北京、巴黎、洛杉矶和伦敦的BVOCs排放估计对比
亚马逊热带雨林毁林弧BVOCs排放被高估
GEE-MEGAN具备全球无缝的模拟能力，在全球最大的BVOCs排放源区—亚马逊热带雨林，也表现出卓越的空间精度模拟能力（图4）。亚马逊森林边缘受人为影响强烈，存在著名的所谓“毁林弧”（Arc of Deforestation）。在此地区，传统MEGAN2.1模型相较于GEE-MEGAN，BVOCs排放量被显著高估，局部区域甚至相差达77%，整体平均高估幅度为31%。GEE-MEGAN模型通过高分辨率数据精准反映出扰动区域的真实BVOCs排放水平，整个亚马逊区域总排放量较MEGAN2.1降低了13%左右，这对准确评估人类活动对全球森林扰动产生的BVOCs变化及其空气质量和气候变化效应极为重要。
图4 GEE-MEGAN与MEGAN2.1对亚马逊区域2019年8月异戊二烯排放估算的比较
GEE-MEGAN虽然展现出高时空分辨率模拟能力，但应用起来更加快捷便利。例如：在500米分辨率下针对南美洲（南纬60°–北纬13°，西经35–90°）进行BVOCs排放模拟，在本地Intel Xeon Gold 6230R CPU（2.1 GHz）上运行，传统MEGAN2.1每个物种需要约737秒才能完成模拟，而GEE-MEGAN每个物种仅需7-9秒即获得相当结果，处理速度提升100倍左右，数据传输量减少了97-99%，即使对更大规模或更高分辨率应用，也能实现高效处理。这种排放估算从“阳春白雪”飞入“寻常百姓家”，可成为城市绿化和气候缓解策略方面的辅助工具，从而为城市规划者提供精细到社区甚至街道级别的数据支持，帮助其在实施绿化项目时有效评估空气质量和气候效益，优化绿化策略。以美国洛杉矶为例，其251个社区中，GEE-MEGAN估算BVOCs排放量比传统MEGAN估算值平均约高23倍（图5），相应的大气反应性和二次产物生成潜势也会有很大不同。随着全球变暖加剧，由于BVOCs影响O3和SOA生成乃至甲烷大气化学寿命，在全球范围和城市尺度准确评估BVOCs这些短寿命活性气体排放的重要性正在日益凸显。GEE-MEGAN通过近实时、高精度的排放模拟，极大地提高了我们对植被与大气相互作用的理解，在BVOCs排放及气候反馈、人为活动对自然系统扰动、生物圈-大气圈相互作用研究中具有应用潜力。
图5. 洛杉矶GEE-MEGAN与传统MEGAN模拟BVOCs排放空间分布对比
本研究受到王新明研究员主持的国家自然科学基金创新研究群体项目、国家重点研发计划项目和彭平安院士主持的广东省基础与应用基础研究重大项目等联合资助。
论文信息：
Zhang Y.（张艳利）,Ran H.（冉浩汎）,Guenther A.,Zhang Q.（张强）,George C.,Mellouki W.,Sheng G.（盛国英）,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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