北半球大气CO₂浓度呈现明显的季节变化，其季节振幅（SCA, seasonal cycle amplitude）与春、秋季过零日期（SZC与AZC, spring/autumn zero-crossing date）的长期趋势，主要由陆地生态系统碳交换驱动。因此，自20世纪60年代以来，大气CO₂浓度观测一直被用作追踪陆地碳循环季节性变化的重要代用指标。然而，在未来不同社会经济路径下，陆地生态系统碳通量、海洋碳通量与化石燃料碳排放对大气CO₂季节循环变化的相对贡献可能发生改变：陆地生态系统能否维持主导地位、大气CO₂观测能否继续充当这一代用指标，仍有待定量评估。

为回答这一问题，北京大学碳中和研究院研究团队联合合作者，利用大气化学传输模型模拟和因子分解实验，系统分析了历史时期及未来不同情景下北半球大气CO₂季节循环的变化特征。结果表明，在高排放情景（SSP5-8.5）下，季节循环的变化较历史时期进一步加剧，表现为SCA增大与SZC提前；而在强减排情景（SSP1-2.6）下，SCA的变化趋势较历史时期发生逆转，在北半球大范围内由增转降，SZC与AZC则仍小幅提前（图1，图2）。

图1 历史时期及不同未来情景下BRW(Barrow, Alaska；71.3°N，156.6°W)和MLO(Mauna Loa, Hawaii；19.5°N，155.6°W)站点大气CO₂季节循环的变化趋势，通常用季节振幅（SCA）、春季过零日期（SZC）和秋季过零日期（AZC）来刻画其变化特征。

图2 历史时期及不同未来情景下北半球大气CO₂季节循环变化趋势的空间分布

研究进一步量化了不同通量组分对大气CO₂季节循环变化的贡献。结果显示，在SSP5-8.5情景下，陆地生态系统仍是主要驱动因素，主导SCA增大和SZC提前，大气CO₂观测仍可较好反映陆地碳循环季节性变化。相比之下，在SSP1-2.6情景下，化石燃料碳排放的大幅削减及其季节波动的显著减弱成为SCA下降趋势的主导因子，对SZC和AZC趋势的贡献也较历史时期有所增大（图3）。主导过程的这一改变，意味着大气CO₂季节循环的指示意义在强减排情景下可能随之改变。一方面，该信号将越来越多地反映化石燃料碳排放的变化，沿用传统解读框架可能会误判陆地生态系统季节性碳吸收与释放的变化。另一方面，化石燃料碳排放对大气CO₂季节循环影响的增强，也表明该信号有潜力成为辅助识别排放路径变化的综合大气指标，为发展新的观测解读方法、支撑碳排放核查提供了科学依据。

图3 陆地生态系统碳通量、化石燃料排放和海洋碳通量对北半球大气CO₂季节循环变化趋势的相对贡献

研究成果以“Fossil fuel emissions dominate Northern Hemisphere CO₂ seasonal cycle trends under mitigation scenarios”为题，于2026年7月1日在线发表于Nature Communications。北京大学城市与环境学院博士后金哲为第一作者，北京大学碳中和研究院何悦助理研究员与中国科学院青藏高原研究所汪宜龙副研究员为共同通讯作者。合作者包括北京大学碳中和研究院朴世龙院士、王锴助理研究员，中国科学院青藏高原研究所田向军研究员，国际应用系统分析研究所Thomas Gasser研究员，北京大学城市与环境学院博士生徐浩（已毕业）与博士生桂研琛。本研究得到第二次青藏高原科学考察与研究计划（2024QZKK0301）与国家自然科学基金（8200909123）等项目资助。