全球碳循环过程的数值模拟与分析

发布时间：2020-10-23 15:21

　　 全球碳循环过程及其研究对全球气候变化研究具有重要意义,全球碳循环过程与气候系统模式耦合的地球系统模式是目前气候模式发展的重要方向。本文首先对全球碳循环过程及其研究进展进行了介绍,然后对海洋碳循环和陆地碳循环分别进行了模拟与分析,并最终建立了一个全球碳循环模式。 本文首先基于先进的海洋环流模式POP和海洋生物地球化学模型OCMIP-2,建立了一个三维动力学海洋碳循环模式。模拟结果与观测结果对比发现,模式能够真实地模拟海洋物理过程和生物地球化学过程,在此基础上利用该模式对工业革命前、工业革命以来的历史时期和21世纪各种情景排放RCPs下的海洋碳循环过程进行了模拟,发现:海洋吸收大气CO_2的区域主要在北半球中高纬度和南半球中纬度,海洋向大气释放CO_2的海洋区主要在赤道南北纬15°之间和南极绕极流区;历史时期海洋吸收大气CO_2的速率在不断增长,但是21世纪模拟发现吸收速率会在达到一峰值后下降;海洋对人为碳吸收主要在北大西洋,到2100年,整个大西洋深层都将存在人为碳,在南极附近,人为碳沿海底也向北输运到了50°S;表层海水的pH值在历史时期已经下降了0.1,21世纪还将继续下降,对于高排放路径RCP8.5,海水pH值将会降低到7.73,下降0.43,对应的海水中氢离子浓度将增加169%,将会带来严重的海洋生态问题。 对陆地碳循环的模拟主要是利用NCAR陆面模式CLM3.5及其陆地碳循环模块CASA’进行的,在工业革命前模拟的基础上进行了历史时期的模拟,对1948-2004年结果分析发现:模拟的叶面指数LAI、陆地生态系统总初级生产力和净初级生产力NPP与观测结果存在很好的一致性;净生产力NPP和陆-气CO_2通量NEP都随大气CO_2浓度增长而增长,二者在大部分地区都存在上升趋势,特别是低纬度地区;NPP与NEP存在明显的年际变化;温度异常升高、降水异常减少时,陆地碳吸收将异常减少。 在海洋碳循环模拟和陆地碳循环模拟的基础上,将海洋碳循环模式OCMIP-2、陆地碳循环过程CASA’,加入到FIO-ESM气候模式的海洋和陆地分量模式中,并通过大气CO_2传输方程,将海洋碳循环过程和陆地碳循环过程联系在一起,实现了全球碳循环过程与气候模式的耦合,建立了一个全球碳循环与气候模式耦合的地球系统模式。全球碳循环模式主要进行了工业革命前控制实验的模拟,模拟结果表明:大气CO_2浓度为284.3±0.37ppm,与观测一致。大气CO_2浓度在南半球大于北半球,赤道最大;在赤道和南半球随高度的增大而减小;在北半球10-30°N,垂向变化很小;在北半球30°N以北,随高度的增大而增大。陆-气CO_2通量对底层大气CO_2浓度的变化起重要作用。建立的耦合模式能够较好的模拟海洋碳循环过程,但是对陆地碳循环的模拟结果如GPP等偏小,还需要进一步探讨。
【学位单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2011
【中图分类】：P734
【部分图文】：

年的 379ppm，增长了近 100ppm，并且还在呈不断增长趋势。国际政府间合作组织（IPCC）指出大气 CO2浓度不断增长引起的温室效应是全球变暖的重要原因之一[1, 2]。由全球变暖引发的一系列环境、生态问题，直接威胁到人类社会与经济的可持续发展。为了应对 CO2、CH4等温室气体诱发的全球环境问题，有关全球碳循环的生物地球化学研究也引起了各国科学家和政府的关注，并在全球范围内开展了以国际地圈生物圈计划（IGBP）、国际人文因素计划（IHDP）、世界气候研究计划（WCRP）和生物多样性计划（DIVERSITES）等为核心的国际合作研究。在 2009 年 12 月的哥本哈根全球气候大会后，节能减排、低碳生活也成为了全世界各国人民所提倡的新生活方式。全球碳循环过程的研究对全球气候变化研究具有非常重要的意义。本章将首先介绍全球碳循环的基本过程、研究意义以及研究进展情况，最后给出本文所做的工作。

图 1-2 大气中 CO2、CH4和 N2O 的的浓度[2] 海洋碳循环占地球表面 71％的海洋是一个巨大的碳库，其碳贮量约为 38000Gt[3]碳库的 50 多倍，陆地碳库的 20 倍，是三个碳库中最大的一个。碳在海在形式主要是溶解无机碳（Dissolved Inorganic Carbon, DIC）、溶解有issolved Organic Carbon, DOC）、颗粒有机碳（Particle Organic Carbon，P盐（Carbonate）等，其中 97%以上是以溶解无机碳的形式存在的。溶的存在形式主要有 CO32-，HCO3-，水合 CO2（CO2·H2O），因为 CO生成的 H2CO3是一种弱酸，其在水中存在一阶解离（公式（1-1））和二公式（1-2）），这会促进 CO2在水中的溶解。海水中总溶解无机碳（2-3-

海水的 CO2体系是由溶解无机碳（DIC） 、总碱度（Alkalinity）、pH 值、海水的 CO2分压2CO ,ocnp 等通过一套复杂的无机化学关系联系在一起，包括了碳酸、硼酸、磷酸、硅酸、水等弱酸的解离平衡；而这些解离平衡等无机化学关系还会受到海水的温度和盐度的影响。海水的 CO2体系会受到各种物理、化学和生物过程作用的影响。大气中的 CO2通过海气界面进入海洋后，受海洋本身的物理过程和海洋生态系统两个过程控制，前者称为物理泵，后者称为生物泵（见图 1-3）。物理泵又称为溶解泵，是指碳在海水中受到海洋环流等物理过程的作用，发生平流、扩散，实现碳在海水中的输运，特别是垂向的迁移运动，能够促进海气界面的碳交换过程。
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 王绍强,陈育峰;陆地表层碳循环模型研究及其趋势[J];地理科学进展;1998年04期

2 陶波,葛全胜,李克让,邵雪梅;陆地生态系统碳循环研究进展[J];地理研究;2001年05期

3 俞永强,张学洪,郭裕福;Global Coupled Ocean-Atmosphere General Circulation Models in LASG/IAP[J];Advances in Atmospheric Sciences;2004年03期

4 徐永福;李阳春;;Estimates of Anthropogenic CO_2 Uptake in a Global Ocean Model[J];Advances in Atmospheric Sciences;2009年02期

5 戴永久,曾庆存;A Land Surface Model(IAP94) for Climate Studies PartI:Formulation and Validation in Off-line Experiments[J];Advances in Atmospheric Sciences;1997年04期

6 徐永福;赵亮;李阳春;;北太平洋对人为二氧化碳吸收的数值模拟[J];地球物理学报;2007年02期

7 刘瑞芝,张学洪;海洋碳循环模式的进展[J];大气科学;1992年04期

8 邢如楠;带生物泵三维全球海洋碳循环模式[J];大气科学;2000年03期

9 金心,石广玉;生物泵在海洋碳循环中的作用[J];大气科学;2001年05期

10 包庆;刘屹岷;周天军;王在志;吴国雄;王鹏飞;;LASG/IAP大气环流谱模式对陆面过程的敏感性试验[J];大气科学;2006年06期

本文编号：2853201