全球碳循環(huán)過程及其研究對全球氣候變化研究具有重要意義,全球碳循環(huán)過程與氣候系統(tǒng)模式耦合的地球系統(tǒng)模式是目前氣候模式發(fā)展的重要方向。本文首先對全球碳循環(huán)過程及其研究進(jìn)展進(jìn)行了介紹,然后對海洋碳循環(huán)和陸地碳循環(huán)分別進(jìn)行了模擬與分析,并最終建立了一個(gè)全球碳循環(huán)模式。 本文首先基于先進(jìn)的海洋環(huán)流模式POP和海洋生物地球化學(xué)模型OCMIP-2,建立了一個(gè)三維動力學(xué)海洋碳循環(huán)模式。模擬結(jié)果與觀測結(jié)果對比發(fā)現(xiàn),模式能夠真實(shí)地模擬海洋物理過程和生物地球化學(xué)過程,在此基礎(chǔ)上利用該模式對工業(yè)革命前、工業(yè)革命以來的歷史時(shí)期和21世紀(jì)各種情景排放RCPs下的海洋碳循環(huán)過程進(jìn)行了模擬,發(fā)現(xiàn):海洋吸收大氣CO_2的區(qū)域主要在北半球中高緯度和南半球中緯度,海洋向大氣釋放CO_2的海洋區(qū)主要在赤道南北緯15°之間和南極繞極流區(qū);歷史時(shí)期海洋吸收大氣CO_2的速率在不斷增長,但是21世紀(jì)模擬發(fā)現(xiàn)吸收速率會在達(dá)到一峰值后下降;海洋對人為碳吸收主要在北大西洋,到2100年,整個(gè)大西洋深層都將存在人為碳,在南極附近,人為碳沿海底也向北輸運(yùn)到了50°S;表層海水的pH值在歷史時(shí)期已經(jīng)下降了0.1,21世紀(jì)還將繼續(xù)下降,對于高排放路徑RCP8.5,海水pH值將會降低到7.73,下降0.43,對應(yīng)的海水中氫離子濃度將增加169%,將會帶來嚴(yán)重的海洋生態(tài)問題。 對陸地碳循環(huán)的模擬主要是利用NCAR陸面模式CLM3.5及其陸地碳循環(huán)模塊CASA’進(jìn)行的,在工業(yè)革命前模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行了歷史時(shí)期的模擬,對1948-2004年結(jié)果分析發(fā)現(xiàn):模擬的葉面指數(shù)LAI、陸地生態(tài)系統(tǒng)總初級生產(chǎn)力和凈初級生產(chǎn)力NPP與觀測結(jié)果存在很好的一致性;凈生產(chǎn)力NPP和陸-氣CO_2通量NEP都隨大氣CO_2濃度增長而增長,二者在大部分地區(qū)都存在上升趨勢,特別是低緯度地區(qū);NPP與NEP存在明顯的年際變化;溫度異常升高、降水異常減少時(shí),陸地碳吸收將異常減少。 在海洋碳循環(huán)模擬和陸地碳循環(huán)模擬的基礎(chǔ)上,將海洋碳循環(huán)模式OCMIP-2、陸地碳循環(huán)過程CASA’,加入到FIO-ESM氣候模式的海洋和陸地分量模式中,并通過大氣CO_2傳輸方程,將海洋碳循環(huán)過程和陸地碳循環(huán)過程聯(lián)系在一起,實(shí)現(xiàn)了全球碳循環(huán)過程與氣候模式的耦合,建立了一個(gè)全球碳循環(huán)與氣候模式耦合的地球系統(tǒng)模式。全球碳循環(huán)模式主要進(jìn)行了工業(yè)革命前控制實(shí)驗(yàn)的模擬,模擬結(jié)果表明:大氣CO_2濃度為284.3±0.37ppm,與觀測一致。大氣CO_2濃度在南半球大于北半球,赤道最大;在赤道和南半球隨高度的增大而減小;在北半球10-30°N,垂向變化很小;在北半球30°N以北,隨高度的增大而增大。陸-氣CO_2通量對底層大氣CO_2濃度的變化起重要作用。建立的耦合模式能夠較好的模擬海洋碳循環(huán)過程,但是對陸地碳循環(huán)的模擬結(jié)果如GPP等偏小,還需要進(jìn)一步探討。
【學(xué)位單位】：中國海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2011
【中圖分類】：P734
【部分圖文】：

年的 379ppm，增長了近 100ppm，并且還在呈不斷增長趨勢。國際政府間合作組織（IPCC）指出大氣 CO2濃度不斷增長引起的溫室效應(yīng)是全球變暖的重要原因之一[1, 2]。由全球變暖引發(fā)的一系列環(huán)境、生態(tài)問題，直接威脅到人類社會與經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。為了應(yīng)對 CO2、CH4等溫室氣體誘發(fā)的全球環(huán)境問題，有關(guān)全球碳循環(huán)的生物地球化學(xué)研究也引起了各國科學(xué)家和政府的關(guān)注，并在全球范圍內(nèi)開展了以國際地圈生物圈計(jì)劃（IGBP）、國際人文因素計(jì)劃（IHDP）、世界氣候研究計(jì)劃（WCRP）和生物多樣性計(jì)劃（DIVERSITES）等為核心的國際合作研究。在 2009 年 12 月的哥本哈根全球氣候大會后，節(jié)能減排、低碳生活也成為了全世界各國人民所提倡的新生活方式。全球碳循環(huán)過程的研究對全球氣候變化研究具有非常重要的意義。本章將首先介紹全球碳循環(huán)的基本過程、研究意義以及研究進(jìn)展情況，最后給出本文所做的工作。

圖 1-2 大氣中 CO2、CH4和 N2O 的的濃度[2] 海洋碳循環(huán)占地球表面 71％的海洋是一個(gè)巨大的碳庫，其碳貯量約為 38000Gt[3]碳庫的 50 多倍，陸地碳庫的 20 倍，是三個(gè)碳庫中最大的一個(gè)。碳在海在形式主要是溶解無機(jī)碳（Dissolved Inorganic Carbon, DIC）、溶解有issolved Organic Carbon, DOC）、顆粒有機(jī)碳（Particle Organic Carbon，P鹽（Carbonate）等，其中 97%以上是以溶解無機(jī)碳的形式存在的。溶的存在形式主要有 CO32-，HCO3-，水合 CO2（CO2·H2O），因?yàn)?CO生成的 H2CO3是一種弱酸，其在水中存在一階解離（公式（1-1））和二公式（1-2）），這會促進(jìn) CO2在水中的溶解。海水中總?cè)芙鉄o機(jī)碳（2-3-

海水的 CO2體系是由溶解無機(jī)碳（DIC） 、總堿度（Alkalinity）、pH 值、海水的 CO2分壓2CO ,ocnp 等通過一套復(fù)雜的無機(jī)化學(xué)關(guān)系聯(lián)系在一起，包括了碳酸、硼酸、磷酸、硅酸、水等弱酸的解離平衡；而這些解離平衡等無機(jī)化學(xué)關(guān)系還會受到海水的溫度和鹽度的影響。海水的 CO2體系會受到各種物理、化學(xué)和生物過程作用的影響。大氣中的 CO2通過海氣界面進(jìn)入海洋后，受海洋本身的物理過程和海洋生態(tài)系統(tǒng)兩個(gè)過程控制，前者稱為物理泵，后者稱為生物泵（見圖 1-3）。物理泵又稱為溶解泵，是指碳在海水中受到海洋環(huán)流等物理過程的作用，發(fā)生平流、擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)碳在海水中的輸運(yùn)，特別是垂向的遷移運(yùn)動，能夠促進(jìn)海氣界面的碳交換過程。
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

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本文編號：2853201