海洋碳循环模式的研究进展

从最简单的三箱模式开始简要回顾了海洋碳循环模式的发展历史，讨论了不同发展时期各种模式的特点，并指出了海洋吸收大气CO2的能力。近年来全球海洋环流碳循环模式经常使用简单生化过程，而在过程模式和一维模式中较详尽探讨生态系统在海洋碳循环的作用。最新的全球环流碳循模式估计海洋在20世纪80年代每年吸收大气CO2为1.5~2.2 GtC。还讨论了模拟海洋碳循环的现状和存在的问题。使用含显式生态系统的碳循环模式是研究CO2生物地球循环及其对全球变化响应的发展趋势。     

对《中国岩溶作用产生的大气CO2碳汇的分区计算》一文的商榷

对2011年《中国岩溶》第4期文章《中国岩溶作用产生的大气CO2碳汇的分区计算》及其引用和认可的两个重要碳汇数据,就碳汇测定方法原理、参数取值、计算公式和计算结果做了一些讨论。认为,①由于参数取值不妥等原因,北方区计算结果可能偏大3倍以上;因运算有误以及径流模数评估不当,埋藏区岩溶碳汇计算结果可能偏大200多倍;②由于方法原理的固有缺欠,该文所引用的、用定点磨片溶蚀法取得的全球岩溶碳汇通量(6.08×108tC/a)可能偏大4倍;③所引用数据的原始计算中新提出的主要水循环碳汇项,由于考虑其地球化学产生机制过于简单,各项评估结果都可能偏大20倍以上;结果使给出的全球水循环碳汇净通量(0.6433GtC/a)偏大2倍多,实际上,比用化学通量法测定的全球碳酸盐风化碳汇值(0.2433±0.05GtC/a)大不了很多;水生光合碳汇截留量可能不会很大;④使用的化学径流碳汇计算公式,虽是当前国内外通用公式,但因属于只考虑大气/土壤CO2溶蚀的简化公式,需要对非大气/土壤CO2溶蚀做进一步校正;校正后全球岩溶碳汇通量将再减少35%左右;⑤综合分析现有测定结果显示,在有世界大河化学径流记录以来的100多年里,全球岩溶碳汇通量平均大概不会超过0.1±0.02GtC/a太多;由于其基数太低,即使进行人为干预,也只能是一个局部或附属的大气CO2汇(如附属于局部地区森林生长量的成倍增长);如果再考虑被碳酸盐风化作用临时吸收的大气CO2,绝大部分最终要因碳酸盐矿物再沉淀而重返大气,全球岩溶碳汇净通量可能比0.1±0.02GtC/a还要小1个数量级,即使在现今大气碳循环被严重扰动的条件下,似也不会成为一种重要的遗漏碳汇。      

全球碳循环与中国百年气候变化

文章总结近百年来中国气候变化的特点、人类活动对碳循环的影响以及温室气体气候效应的模式研究结果.近百年来,中国年平均温度呈上升趋势,但温度变化具地区性和季节性特征.近50年观测到的冬季增温最为明显,长江中下游地区夏季地区还出现了降温.人类活动被认为是导致全球变暖的重要原因.大气CO2浓度从工业化前的约280ppm增加到了2008年的385.2ppm[1].20世纪90年代期间,全球碳源为8.0GtC/a(1Gt=10亿吨),包括化石燃料燃烧产生的碳(6.4±0.4GtC/a)和土地利用变化产生的碳1.6[0.5～2.7]GtC/a.同时大气中增加的碳为 3.2±0.1GtC/a和海洋吸收的碳为 2.2±0.4GtC/a[2].碳源比碳汇高出2.6[0.9～4.3]GtC/a,这部分目前学术界还不能解释的碳汇被称为"碳失汇"[2].北半球陆地生态系统是寻找"碳失汇"的重要方向.目前多数气候模式能够成功再现全球平均气温在过去百年的实际演变.就全球年平均温度在 1880～1999年的变化而言,在自然因子和人为因子的共同强迫作用下,参加IPCC AR4的19个耦合模式集合模拟的变暖趋势为0.67℃/100a,非常接近观测的0.53℃/100a[3]. 多模式集合的结果与观测序列的相关系数可以达到0.87[3],这种高相关系数主要来自20世纪的变暖趋势.19个耦合模式模拟中国平均气温演变的能力较之模拟全球平均情况要差,与实际观测值之间的相关系数为0.55[4].这表明对区域尺度的气候变化而言,其情况要比全球平均情况复杂的多,特别是中国地区存在的高浓度气溶胶,能在很大程度上影响中国区域的气候变化.由于气候变化同时受地球系统的自然变率和人为因子的影响,更进一步了解全球碳循环对中国近百年气候变化的影响还依赖于地球气候系统模式对各种自然和人为气候强迫的模拟准确性,特别需要结合观测和模拟减小陆地生态系统碳源汇的不确定性.     

海表层二氧化碳分压之时间序列研究进展

简要总结了海表层二氧化碳分压(pCO2)时间序列的研究方法,重点综述了时间序列研究在确定pCO2控制过程、揭示pCO2年际差异、监测气候事件对pCO2的影响及估算海—气二氧化碳(CO2)通量等方面的研究进展.海表层pCO2时间序列的研究方法大致可以分为2类,一类是基于船舶调查,另一类是基于浮标的CO2自动测定.时间序列研究除了能够定性地记录和追踪一些特殊和偶然的物理和生物过程对pCO2的影响外,还能够定量地给出各种过程对pCO2变化的贡献,这对揭示海洋pCO2的控制机理有着重要意义.年际尺度的时间序列观测表明:人类活动已经造成了海表层pCO2的增加,厄尔尼诺事件和拉尼娜事件对海表层pCO2和海—气CO2通量有明显影响.另外,时间序列研究能够提高海—气CO2通量估算的准确性.     

水库水体二氧化碳分压研究进展

天然水体中存在同化二氧化碳(CO2)的光合作用,也存在释放CO2的微生物呼吸过程。地球表层水体与大气之间的CO2交换构成全球碳循环的一个重要环节。水-气之间CO2交换的方向和通量主要受大气圈和水体表层CO2分压(pCO2)的制约。水体pCO2值可以通过对近水面气体成分变化过程的现场仪器检测或者根据测定的水体化学参数运用经验公式计算求得。迄今对陆地水体,尤其河流筑坝形成的"蓄水河流"(下称水库)水体CO2动态研究中,由于水域及其近表层大气成分的时空多变,一般采用水化学参数计算方法求得水体的pCO2值。全球约70.97%的水库表层水体pCO2高于大气pCO2。全球尺度上水库表层水体pCO2自热带向寒温带逐渐递减;单个水库水体的pCO2一般呈现"出库>入库>库中"、pCO2随深度而增加的变化规律。水库表层水体pCO2的时间变化一般表现为"冬季>夏季、消融期>冰冻期、黑夜>白天"。水库水体的pCO2是其水化学平衡的结果,受水温、水体pH、水生生物活动以及外来水体的混合等多种因素影响,变化较为复杂。为精确量化水库水-气界面CO2交换通量,水文学、湖沼学、生态学和地球化学等领域的学者有必要合作,共同努力进行水库流域尺度的实地观测,完善水体溶解无机碳计算模型,深入探讨水库水体碳动力学机制,为全球碳循环研究和气候变化预测提供可靠的基础数据。     

基于涡度相关技术估算植被/大气间净CO2交换量中的不确定性

近年来，涡度相关技术的进步使陆地生态系统CO2通量的长期和连续观测成为可能。目前，涡度相关技术是全球通量观测网络（FLUXNET）测定植被/大气间CO2通量的主要技术手段，但绝大部分CO2通量观测站点都处于非典型的理想条件下，不能完全满足涡度相关技术的基本假设条件，从而导致基于涡度相关技术估算植被/大气间净生态系统CO2交换量的不确定性。系统介绍了涡度相关技术的基本假设，基本理论公式和误差的类型与特征等理论问题，重点阐述了通量测定中仪器本身的物理限制、二维和三维的气流运动、数据处理的方法和夜间通量的低估等不确定性的主要来源，并据此对通量观测研究中需要优先考虑的问题提出一些建议。研究认为数据质量控制与分析以及误差评价是不同通量站点间的结果比较和全球尺度综合分析的过程中需重点考虑的问题。     

祁连山疏勒河上游高寒草甸CO2通量变化特征

采用涡动相关法对疏勒河上游高寒草甸生态系统2009年CO2通量进行连续观测.结果表明:疏勒河上游高寒草甸CO2通量呈明显的日和月变化特征.生长季CO2通量具有明显的日变化过程,其中吸收峰值从5月的10:00时逐步推后到7月的12:00左右,CO2通量排放峰值则出现在21:00-22:00.其中,最大吸收和排放速率均出现...     

全球气候变暖研究中的不确定性

讨论了有关全球变暖研究中存在的一些不确定性 ,主要包括 3个方面 ,即资料方面的不确定性 ,气候变化机制方面的不确定性和预测方面的不确定性。城市热岛效应是资料中最大的误差来源 ,特别是一些最近几十年快速发展的城市 ,其热岛效应的误差没有很好地得到检查和排除。资料覆盖面也很不完善。地面观测温度在 1979— 1999年的趋势是 0 19℃ / 10a ,但覆盖全球的卫星观测资料(反映对流层低层到中层 )趋势只有 0 0 6℃ / 10a。北极地区的温度变化也没有设想的那样强烈。使用海表温度比使用海表气温得到的变暖估计值偏高。 1979年以来 ,用气温代替海温 ,趋势只有0 13℃ / 10a。海洋在气候变化中的作用需要更深入地研究。利用代用资料来估计全球温度的变化 ,带来的不确定性较大 ,特别是树木年轮 ,因为CO2 浓度的增加可以加速植物的生长 ,其年轮宽度并不一定主要反映与温度的关系。未来气候变化的预测有很大的不确定性 ,到 2 10 0年全球平均气温达+1 4℃～ +5 8℃的估计很可能偏高。     

东海海—气界面二氧化碳通量的季节变化与控制因素研究进展

通过对东海海—气界面二氧化碳(CO2)交换有关研究的总结,剖析了东海表层海水CO2分压(pCO2)的区域分布特征,探讨了海—气界面CO2通量(FCO2)的季节变化规律,诠释了影响海—气界面CO2转移的主要因素.结果表明,东海表层海水pCO2的区域分布具有明显的季节变化,可将其分为冬季、夏季、过渡季节(春季、秋季)3个时段.冬季西部近岸海域由于水体垂直交换强烈,造成表层水体pCO2较高,而中、东部陆架海域由于浮游生物的光合作用使得pCO2较低.夏季近岸河口海域由于陆源输入的影响导致pCO2较高,中、东部陆架海域受温跃层、长江冲淡水、浮游植物的综合作用pCO2较低.春季、秋季为过渡时段,表层海水pCO2分布变化剧烈,受控因素较为复杂.东海全年表现为大气CO2的净汇,其中冬、春、夏为碳汇,其海—气界面FCO2分别为(-6.68±6.93),(-4.94±0.80),(-3.67±1.09)mmol/(m2·d).秋季表现为碳源,通量约为(1.50±8.37)mmoL/(m2·d).东海全年平均通量约为-3.16 mmol/(m2·d),共可吸收CO2约为6.92×106 t C/a.不同季节海—气界面FCO2的年际变化凸显了人为因素的影响,近海富营养化加剧,三峡工程的运行都可能是造成东海冬季碳汇量减少、秋季碳源/汇格局转变的原因.     

青藏高原草地生态系统碳通量研究进展

青藏高原拥有我国面积最大的天然草地,区域内生态系统碳通量的长期定位观测研究具有重要意义.在总结生态系统碳通量主要研究方法基础上,对青藏高原不同植被类型碳循环的源、汇效应、时空变化及其与影响因子关系等研究领域所取得的重要进展进行了综合评述.现有研究表明,不同植被类型间CO2通量的季节变化、年际变化、交换量和碳源汇特征等存在明显差异,光合有效辐射、温度、降水、土壤水分和叶面积指数等是影响碳通量变化的主要驱动因子.最后,结合当前青藏高原地区生态系统碳通量研究的现实与需要,探讨了通量观测所面临的主要科学问题及解决途径.未来对青藏高原碳循环关键过程的研究工作还需要多尺度、长期生态实验和CO2通量观测数据支持,同时以此为基础发展新的数据处理、分析和跨尺度机理模拟方法,建立青藏高原生态系统碳循环模型.     

海气CO2通量与涡动相关法应用研究进展

海气CO2交换速率及通量的测定、估算是碳循环研究的重要内容。测定、估算海气CO2交换速率及通量有多种方法,但都有其局限性,准确定量海气碳通量的大小仍是碳循环研究的热点问题。当前应用最广泛的海气界面分压差法需要通过间接手段测定海气交换速率,交换速率和风速的关系基于经验公式,不确定性较大;而涡动相关法（eddy covariance / eddy correlation）是一种直接测量方法,理论上不需要任何经验参数,在近年来取得较大进展。综述了近年来国内外CO2海气交换速率及通量的测定、估算方法的研究进展,并对各种方法的原理、应用、优缺点进行了分析,着重介绍了涡动相关法测量CO2通量的原理、国内外研究现状、相对传统方法的优缺点以及发展前景等,对未来海气CO2交换速率及通量研究发展趋势和研究方法作了展望。     

海洋二氧化碳的研究进展

海洋是一个巨大的碳库,具有潜在的缓冲大气CO2增加的能力,研究CO2在海洋中的转移和归宿,对于预测未来大气CO2含量乃至全球气候变化具有重要意义。综述了海洋CO2的研究现状,着重介绍海洋CO2的源与汇、海—气CO2通量的估算以及海洋环流、生物泵和海洋生态在海洋碳循环中的作用,并对该研究领域的发展趋势进行了总结。     

南海海-气通量交换研究进展

1998年的"南海季风试验(SCSMEX)"已经过去10年了,SCSMEX启动的南海海-气通量试验研究也有10个年头.在SCSMEX和国家自然科学基金面上项目"南海季风爆发期近海面层通量观测和湍流结构的观测研究"支持下,10年来在西沙实施了3次(1998年、2000年、2002年)海-气通量观测试验,开展了试验资料分析研究,重点是西南季风爆发前后海-气通量交换过程研究,辐射通量、感热通量、潜热通量、动量通量随天气条件的变化研究,海-气通量日变化,通量交换系数以及通量变化对低层大气、上层海洋的影响研究.对10年来南海通量研究作一回顾,对未来的通量观测研究计划特别是2008"亚洲季风年"西沙通量观测提出一些建议.     

大气中CO2浓度的全球监测现状

较系统地介绍了大气中ＣＯ＿２浓度（主要是ＣＯ＿２大气背景浓度）的全球监测进展现状。重点阐述了ＣＯ＿２浓度的全球监测网、监测方法、ＣＯ＿２同位素监测、监测质量控制以及ＣＯ＿２监测资料管理等问题的进展状况，分析讨论了当前ＣＯ＿２浓度全球监测中存在的问题和发展前景。     

二氧化碳生物地球化学循环研究的进展

综述了对二氧化碳生物地球化学循环的研究现状，着重介绍了大气二氧化碳的源和汇的研究资料，并简要介绍了有关碳循环模式。     

Dynamics of sea-ice biogeochemistry in the coastal Antarctica during transition from summer to winter

The seasonality of carbon dioxide partial pressure(pCO_2).air-sea CO_2 fluxes and associated environmental parameters were investigated in the Antarctic coastal waters.The in-situ survey was carried out from the austral summer till the onset of winter[January 2012,February 2010 and March 2009) in the Enderby Basin.Rapid decrease in pCO_2 was evident under the sea-ice cover in January,when both water column and sea-ice algal activity resulted in the removal of nutrients and dissolved inorganic carbon(DIC) and increase in pH.The major highlight of this study is the shift in the dominant biogeochemical factors from summer to early winter.Nutrient limitation(low Si/N),sea-ice cover,low photosynthetically active radiation(PAR),deep mixed layer and high upwelling velocity contributed towards higher pCO_2during March(early winter).CO_2 fluxes suggest that the Enderby Basin acts as a strong CO_2 sink during January(-81 mmol m~2 d~(-1)),however it acts as a weak sink of CO_2 with-2.4 and-1.7 mmol m~(-2) d~(-1)during February and March,respectively.The present work,concludes that sea ice plays a dual role towards climate change,by decreasing sea surface PCO_2 in summer and enhancing in early winter.Our observations emphasize the need to address seasonal sea-ice driven CO_2 flux dynamics in assessing Antarctic contributions to the global oceanic CO_2 budget.     

海-气间化学物质交换通量的研究

从以下几个方面简要分析了海—气间化学物质交换通量的参数化研究情况：如果不考虑物质间的化学反应,经典的通量—梯度关系（Ｋ理论）可用于估计从大气进入海表面的物质通量。在有化学反应的情形下,应根据化学反应速度与湍流交换速度的相对大小对Ｋ理论做修正;已知海表面的物质浓度和物质的沉降速度,可由二者的乘积来估计通量的大小。降水对大气中物质的清除作用是很大的,如何对降水的物理过程进行参数化,直接影响到对湿沉降通量的估计;计算海—气间气体交换通量的一种方法是利用界面两侧的分压差和气体转移系数。这两个参数都可能造成通量估计的不确定性。     

碳酸盐岩在全球碳循环过程中的作用

碳酸盐岩是地球上最主要的碳库，开展全球变化研究应重视碳酸盐岩在岩溶作用过程中的地球化学动力学研究。这方面的科学问题有二个。第一是关于全球碳酸盐岩的碳库容量问题，尚须利用全球沉积岩和碳酸盐岩数据库，根据全球地质历史时期碳酸盐岩的分布面积、厚度和岩石成分等进行重新计算。其次是关于碳酸盐岩在岩溶作用过程中对全球碳循环的动力学贡献问题。一方面碳酸盐岩的溶蚀作用不仅关系到海洋ＣａＣＯ＿３的供给量而影响海洋中碳通量的平衡，而且还可直接回收大气圈中的ＣＯ＿２；另一方面由于钙华的沉积又可向大气圈释放ＣＯ＿２，而影响温空气体的变化。它们构成了大气温室气体源汇关系中不可忽视的一项。