【摘要】：多年凍土是世界上最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫,在全球碳循環(huán)和氣候變化中起著舉足輕重的作用。全球變暖背景下北半球多年凍土的變化以及有機碳的釋放,已成為影響全球氣候變化走向的重要科學問題。本文使用17個CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5)模式確定了1.5℃及2℃溫升的發(fā)生時間;基于觀測資料,驗證了陸面模式CLM4.5(Community Land Model 4.5)和幾種半經(jīng)驗半理論方法(Kudryavtsev方法、Nelson方法、Stefan方法)對北半球多年凍土的范圍及活動層深度的模擬能力,并使用上述方法估算了1.5℃和2.0℃溫升條件下北半球多年凍土的變化以及多年凍土區(qū)域3.8 m深度內(nèi)有機碳的釋放量。本文得到的主要結(jié)論如下:(1)1.5℃和2℃溫升的發(fā)生時間在不同氣候情景下不同。多模式集合平均結(jié)果表明,全球平均地表溫度在三種排放情景下(Representative Concentration Pathways:RCP2.6,RCP4.5,RCP8.5)分別于2027、2026、2023年穩(wěn)定達到1.5℃閾值。RCP2.6情景下,全球平均地表溫度增幅將不會達到2℃閾值;在RCP4.5和RCP8.5情景下,全球平均地表溫度增幅穩(wěn)定達到2℃的時間分別為2046年和2037年。集合平均結(jié)果代表的氣候變化特征遠遠大于各模式間的噪聲,其預估結(jié)果較為可信。(2)各方法對歷史時期北半球多年凍土范圍和活動層深度的模擬存在較大的差異。CLM4.5僅能模擬出部分連續(xù)性和不連續(xù)性多年凍土(14.63×10~6 km~2),嚴重低估了北半球多年凍土的面積,該誤差可能與模式對次網(wǎng)格尺度系統(tǒng)的模擬能力以及驅(qū)動數(shù)據(jù)的質(zhì)量有關(guān)。Kudryavtsev方法與Nelson方法模擬的多年凍土范圍較國際凍土協(xié)會(International Permafrost Association,IPA)發(fā)布的多年凍土地圖略微偏小,多年凍土面積分別為18.28×10~6 km~2和18.48×10~6 km~2。Stefan方法、Kudryavtsev方法和CLM4.5模擬的活動層深度與觀測值均呈顯著的正相關(guān),在量級上存在較大差異,平均偏差分別為60.27 cm,23.55 cm和5.49 cm。由于土壤數(shù)據(jù)深度限制(3.8 m),各方法對于深層多年凍土及活動層深度的模擬存在局限性。(3)當全球升溫1.5℃和2℃時,三種方法預估的北半球多年凍土面積的平均值約為13.41×10~6 km~2和11.73×10~6 km~2,較歷史時期約減少3.52×10~6 km~2(21.99%)和5.4×10~6 km~2(31.98%),多年凍土南界將北移約1°~5°。不同方法對多年凍土面積的預估結(jié)果存在較大的差異,在同一排放情景下的不確定性約為4.42~5.85×10~6 km~2;三種方法的預估結(jié)果在不同排放情景間的不確定性較小,僅為0.08~0.69×10~6 km~2。全球變暖背景下,北半球大部分區(qū)域的活動層深度較歷史時期顯著加深。(4)歷史時期北半球多年凍土區(qū)域3.8 m深度內(nèi)的有機碳儲量約為287.63~346.22Gt。全球升溫1.5℃及2℃時,多年凍土將分別釋放21.08~34.62Gt和22.18~42.99 Gt有機碳。多年凍土區(qū)域有機碳儲量以及釋放量的不確定性可能與土壤有機質(zhì)數(shù)據(jù)的質(zhì)量、活動層深度與多年凍土范圍的估算有關(guān)。
【圖文】：

圖 3.1 1901-2005 年 CRU 資料與 17 個氣候模式 Historical 試驗資料的全球陸地平均地表溫度（單位：℃）（括號內(nèi)為相關(guān)系數(shù)，，P<0.001）3.2 不同氣候情景下全球升溫 1.5℃及 2℃的時間約翰·科迪等根據(jù)制造業(yè)增加值在總商品生產(chǎn)部門增加值中所占的份額來衡量工業(yè)化水平，將制造業(yè)產(chǎn)值小于國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）的 20%的時期定義為“工業(yè)化革命前”。1861—1880 年，1861—1900 年，1871—1900 年等時段均被用于表示“工業(yè)化革命前”的時期（郎咸梅和隋月，2013；張莉等，2013；陳曉晨等，2015)�？紤]到各模式歷史氣候模擬的起始時間存在差異，大多數(shù)模式的數(shù)據(jù)長度為 1850-2005 年，而 GFDL-CM3 和 HadGEM2-ES 模式分別從 1860 年和 1859年開始積分，本文與 IPCC AR5 第一工作組決策者摘要（IPCC，2013）中使用的參考時段保持一致，選取 1861—1880 年作為工業(yè)化前的時期，分析不同模式、3種典型濃度路徑情景（RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5）下，全球平均地表溫度相對1861—1880 年平均值升幅達到 1.5℃及 2℃的時間。

蘭州大學碩士研究生學位論文 1.5℃和2.0℃溫升條件下北半球多年凍土的變化及其碳釋放率）隨輻射強迫增大而增大。在高排放情景下（RCP8.5），地表溫度升溫速率最大，率先達到 1.5℃及 2℃溫升；在中等排放情景下（RCP4.5），地表溫度在 21世紀初期和中期升溫速率較大，到 21 世紀 70 年代，升溫速率逐漸減小；在較低排放情景下（RCP2.6），地表溫度的升溫速率先增大后減小，大約于 21 世紀中期趨于穩(wěn)定，部分模式到 21 世紀末仍不會達到 2℃。多模式集合平均的結(jié)果顯示：到 21 世紀末期，RCP2.6 情景下全球年平均地表溫度升溫幅度最小，約升高1.9℃；RCP4.5 和 RCP8.5 情景下的升溫幅度均將超過 2℃，分別升高約 2.8℃和5.1℃，與張莉等（2013）得到的 1.74℃，2.6℃和 4.75℃溫升較為接近。
【學位授予單位】：蘭州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：P642.14

【參考文獻】

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本文編號：2666423