1.5℃和2.0℃温升条件下北半球多年冻土的变化及其碳释放

发布时间：2020-05-16 07:58

【摘要】：多年冻土是世界上最大的陆地生态系统碳库,在全球碳循环和气候变化中起着举足轻重的作用。全球变暖背景下北半球多年冻土的变化以及有机碳的释放,已成为影响全球气候变化走向的重要科学问题。本文使用17个CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5)模式确定了1.5℃及2℃温升的发生时间;基于观测资料,验证了陆面模式CLM4.5(Community Land Model 4.5)和几种半经验半理论方法(Kudryavtsev方法、Nelson方法、Stefan方法)对北半球多年冻土的范围及活动层深度的模拟能力,并使用上述方法估算了1.5℃和2.0℃温升条件下北半球多年冻土的变化以及多年冻土区域3.8 m深度内有机碳的释放量。本文得到的主要结论如下:(1)1.5℃和2℃温升的发生时间在不同气候情景下不同。多模式集合平均结果表明,全球平均地表温度在三种排放情景下(Representative Concentration Pathways:RCP2.6,RCP4.5,RCP8.5)分别于2027、2026、2023年稳定达到1.5℃阈值。RCP2.6情景下,全球平均地表温度增幅将不会达到2℃阈值;在RCP4.5和RCP8.5情景下,全球平均地表温度增幅稳定达到2℃的时间分别为2046年和2037年。集合平均结果代表的气候变化特征远远大于各模式间的噪声,其预估结果较为可信。(2)各方法对历史时期北半球多年冻土范围和活动层深度的模拟存在较大的差异。CLM4.5仅能模拟出部分连续性和不连续性多年冻土(14.63×10~6 km~2),严重低估了北半球多年冻土的面积,该误差可能与模式对次网格尺度系统的模拟能力以及驱动数据的质量有关。Kudryavtsev方法与Nelson方法模拟的多年冻土范围较国际冻土协会(International Permafrost Association,IPA)发布的多年冻土地图略微偏小,多年冻土面积分别为18.28×10~6 km~2和18.48×10~6 km~2。Stefan方法、Kudryavtsev方法和CLM4.5模拟的活动层深度与观测值均呈显著的正相关,在量级上存在较大差异,平均偏差分别为60.27 cm,23.55 cm和5.49 cm。由于土壤数据深度限制(3.8 m),各方法对于深层多年冻土及活动层深度的模拟存在局限性。(3)当全球升温1.5℃和2℃时,三种方法预估的北半球多年冻土面积的平均值约为13.41×10~6 km~2和11.73×10~6 km~2,较历史时期约减少3.52×10~6 km~2(21.99%)和5.4×10~6 km~2(31.98%),多年冻土南界将北移约1°~5°。不同方法对多年冻土面积的预估结果存在较大的差异,在同一排放情景下的不确定性约为4.42~5.85×10~6 km~2;三种方法的预估结果在不同排放情景间的不确定性较小,仅为0.08~0.69×10~6 km~2。全球变暖背景下,北半球大部分区域的活动层深度较历史时期显著加深。(4)历史时期北半球多年冻土区域3.8 m深度内的有机碳储量约为287.63~346.22Gt。全球升温1.5℃及2℃时,多年冻土将分别释放21.08~34.62Gt和22.18~42.99 Gt有机碳。多年冻土区域有机碳储量以及释放量的不确定性可能与土壤有机质数据的质量、活动层深度与多年冻土范围的估算有关。
【图文】：

图 3.1 1901-2005 年 CRU 资料与 17 个气候模式 Historical 试验资料的全球陆地平均地表温度（单位：℃）（括号内为相关系数，，P<0.001）3.2 不同气候情景下全球升温 1.5℃及 2℃的时间约翰·科迪等根据制造业增加值在总商品生产部门增加值中所占的份额来衡量工业化水平，将制造业产值小于国内生产总值（GDP）的 20%的时期定义为“工业化革命前”。1861—1880 年，1861—1900 年，1871—1900 年等时段均被用于表示“工业化革命前”的时期（郎咸梅和隋月，2013；张莉等，2013；陈晓晨等，2015)。考虑到各模式历史气候模拟的起始时间存在差异，大多数模式的数据长度为 1850-2005 年，而 GFDL-CM3 和 HadGEM2-ES 模式分别从 1860 年和 1859年开始积分，本文与 IPCC AR5 第一工作组决策者摘要（IPCC，2013）中使用的参考时段保持一致，选取 1861—1880 年作为工业化前的时期，分析不同模式、3种典型浓度路径情景（RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5）下，全球平均地表温度相对1861—1880 年平均值升幅达到 1.5℃及 2℃的时间。

兰州大学硕士研究生学位论文 1.5℃和2.0℃温升条件下北半球多年冻土的变化及其碳释放率）随辐射强迫增大而增大。在高排放情景下（RCP8.5），地表温度升温速率最大，率先达到 1.5℃及 2℃温升；在中等排放情景下（RCP4.5），地表温度在 21世纪初期和中期升温速率较大，到 21 世纪 70 年代，升温速率逐渐减小；在较低排放情景下（RCP2.6），地表温度的升温速率先增大后减小，大约于 21 世纪中期趋于稳定，部分模式到 21 世纪末仍不会达到 2℃。多模式集合平均的结果显示：到 21 世纪末期，RCP2.6 情景下全球年平均地表温度升温幅度最小，约升高1.9℃；RCP4.5 和 RCP8.5 情景下的升温幅度均将超过 2℃，分别升高约 2.8℃和5.1℃，与张莉等（2013）得到的 1.74℃，2.6℃和 4.75℃温升较为接近。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P642.14

【参考文献】

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本文编号：2666423