海洋环流模式模拟自然 和核辐射14C的分布

放射性14C在海洋环流研究和人为CO2问题的研究中都有重要地位。本文用海洋环流模式模拟了海洋中自然14C的分布及海洋对核辐射产生的放射性14C的吸收, 以期对海洋吸收人为CO2的能力做一初步的研究。模拟的海洋环流结果与观测相比符合得较好,成功地模拟出了北大西洋深水（NADW）、南极底水 (AABW）等基本特征。对自然14C的模拟揭示出了海洋通风的基本特征。模拟出的沿GEOSECS 路径的南、北垂直截面与观测结果符合得较好。对核辐射14C的模拟表明:模式模拟的沿GEOSECS 路径的南、北垂直截面与观测结果符合得较好;模拟出的海洋表面核辐射浓度与观测值一致,但核辐射14C在海洋中的柱存量和平均穿透深度都比观测结果要小。文中分析了造成这种差异的可能原因。     

一个地球系统模式模拟的气候变化对海洋碳循环的影响

使用维多利亚大学的地球系统模式进行模拟,选取1800-2500年间较高的CO₂浓度情景（RCP8.5）,分析由于CO₂增加引起的气候变化对海洋碳循环的影响。当气候敏感度为3.0 K时,相对于无气候变化,到2100年,由于大气CO₂增加造成的气候变化导致海表面温度升高2.7 K,北大西洋深水流量减少4.5 Sv,海洋对人为碳的年吸收减少0.8 Pg C;比较人为溶解无机碳在海洋中的垂直累积分布,发现气候变化对海洋吸收大气CO₂的影响在北大西洋区域最明显。1800-2500年,相对于不考虑气候变化的情景,模式模拟的气候变化导致整个海洋对人为碳的累积吸收总量减少23.1%,其中北大西洋减少32.0%。此外,比较不同气候敏感度（0～4.5 K,间隔为0.5 K）的模拟结果发现,气候敏感度越高,气候变化对海洋吸收CO₂能力的抑制作用越明显。     

GFDL模式不同类型试验模拟海洋中CFC-11分布结果的评估

为了评估美国地球物理流体动力学实验室（GFDL）模式模拟海洋通风的能力,利用GFDL的物理气候系统模式和地球系统模式（GFDL-ESM2G、GFDL-ESM2M、GFDL-CM3）模拟海洋中CFC-11（一氟三氯甲烷,CCl3F）的资料,对CFC-11的海面浓度分布、单位面积水柱总量、全球总物质的量、最大穿透深度以及在大西洋、太平洋、南大洋的垂直剖面的特征进行了分析。本文将GFDL模拟结果与盐度、海温、CFC-11的观测资料比较,得到了如下重要结论：GFDL模式模拟的CFC-11海面高值中心集中在高纬度,如北大西洋、西北太平洋,但是在南大洋罗斯海、威德尔海模拟结果比观测值低了1.5 pmol·kg-1,这是CFC-11的溶解度与海面温度成负相关造成的,即随海面温度升高,CFC-11的溶解度降低;GFDL模拟的全球海洋中CFC-11总物质的量都比观测值高,尤其是CM3的模拟结果比观测高22.9%,GFDL模式平均值高于观测15.6%。通过对北太平洋46°N、北大西洋24°N和南大洋65°S的纬向断面的分析表明,目前GFDL模式在模拟一些重要水团时还有一定的改进空间,比如GFDL在24°N断面1 000 m以下模拟CFC-11浓度极大值位置过深。     

二维温盐环流模式研究14C在海洋中的分布

海洋碳循环模式中常使用放射性同位素14C来检验该模式的物理模型是否较好地反映了海洋中的大尺度变化的过程。本工作使用的物理模型是包括太平洋、大西洋和南大洋在内的二维温盐环流模式，在给定的年平均海表强迫下积分4000年后，环流达到准稳态，其定常流场用来驱动14C模式。对14C模式积分5000年以上，可得到14C稳态的分布。使用不同的二氧化碳海气交换系数和垂直湍流扩散系数值进行了7个实验，发现使用Broecker等的交换系数方程和扩散系数值依深度从0.6增加到1.45 cm2/s，模拟的结果较好。使用观测到的大气中14C含量，进一步研究了工业革命后及核试验后的14C在海洋中的穿透，模拟结果与现有的一些资料进行了比较，总体上给出了合理的结果。     

任意正交曲线坐标系下的海洋模式动力框架的发展与评估

本文发展了一个可以适用于任意水平正交曲线坐标系的海洋模式动力框架,并将其应用于中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室发展的气候系统海洋模式LICOM2.0（LASG/IAP Climate system Ocean Model,version2.0）。在经纬网格坐标系下,新的动力框架与LICOM2.0原有的动力框架模拟结果完全一致。基于新的动力框架,海洋模式可采用能够准确描述北冰洋地形的三极网格,克服了LICOM2.0经纬网格版本必须将北极点处理为孤岛的缺陷,从而显著改进了模式对于北冰洋环流和北大西洋经圈翻转流函数（AMOC）的模拟能力。此外,引进三极网格还可以避免模式网格距随纬度增加而急剧减小带来的计算不稳定,在LICOM2.0的三极网格版本中,模式不需要采用任何空间滤波方案仍然能够保证计算的稳定性,从而与LICOM2.0的经纬网格版本相比,极大地提高了模式的并行效率,这一点在当水平分辨率提高到0.1度时表现得尤为明显,海洋模式的并行加速比可以从经纬网格版本的5.8左右提高到三极网格版本的15.0左右。     

温盐环流与全球增暖的数值模拟 (二)温盐环流在全球增暖事件中的作用

本文是用简单海一气耦合模型模拟温盐环流在全球增暖事件中作用的研究工作的第二部分。在研究海－气耦合系统的增暖过程之前，我们先利用单独的大西洋温盐环流模式模拟和分析了海表热异常向深海的传输过程。结果表明温盐环流在海洋对热异常的响应过程中是被削弱的；对各种物理过程在热异常向深海传输过程中的作用的分析表明，对流在热异常由海表向深海的输送过程中起着关键的作用。在这基础上，我们利用本文第一部分中复制的二维海洋温盐环流模式和一个零维的能量平衡大气模式，在大气和海洋表层始终处于热平衡状态的假定下建立了一个高度简化的海气耦合系统，用数值试验方法研究了该系统对于和大气ＣＯ２浓度突然加倍相当的辐射强迫的迁延响应，着重分析了温盐环流在全球增暖过程中的作用。结果表明：１）两大洋的平衡响应结果有显著差别：太平洋是温盐环流的上翻区，热量主要通过扩散过程由海表向深海渗透，因而海表升温较快，深海加热较慢，而且增温幅度几乎是南北均一的；在北大西洋深水形成区。由于对流与垂直平流共同作用，海表吸收的热量迅速下传，使得大西洋平均海表增温速度要比太平洋慢。而其深海增温则要快得多，并且增温幅度在南北方向是不均匀的。（２）北大西洋在增暖过程中由于其温度垂     

LICOM3.0海洋模式中太平洋北赤道逆流的模拟偏差分析

本文用CORE-IAF（Coordinated Ocean-ice Reference Experiments–Interannual Forcing）外强迫场分别强迫LICOM3（LASG/IAP Climate System Ocean Model Version 3）和POP2（Parallel Ocean Program version 2）两个海洋模式，并分析了这两个模式中太平洋北赤道逆流（NECC）的模拟结果。我们发现LICOM3和POP2模拟的NECC强度均弱于实测，这和Sun et al.（2019）的研究结果一致，也进一步证明了海洋模式中NECC偏弱是CORE-IAF外强迫场造成的，海表风应力及对应的风应力旋度是海洋模式准确模拟NECC的最主要因子。同时，我们也分析了NECC的模拟在动力机制上的差别，这里的动力强迫项包括风应力项、平流项和余项。我们发现模式的外强迫场虽然相同，但是两个模式中各动力强迫项（风应力项、平流项和余项）对NECC模拟的影响并不完全相同。     

温盐环流与全球增暖的数值模拟 (一)纬向平均温盐环流的模拟

本文是用简单海一气耦合模型模拟温盐环流在全球增暖事件中作用的研究工作的第一部分。为了建立一个简单海一气耦合模型，我们首先根据Ｗｒｉｇｈｔ和Ｓｔｏｋｅｒ等人的设计复制出一个包括大西洋、太平洋和南大洋在内的二维温盐环流模式，从等温、等盐和无运动的初始状态出发，在给定的年平均海表强迫下将模式积分了４０００年，模拟出了和原作相似的温盐环流。对模拟结果的分析表明，相对于北太平洋而言，北大西洋北部的高盐、低温特点（后者是由两大洋在地理上的差别决定的）是形成当代温盐环流的主要原因；从与温盐环流相联系的海表热通量来看，北大西洋北部是向大气提供热量的主要源地；模式温盐环流对于海表盐度通量的敏感性试验的结果表明，对于纬圈平均的二维模式而言，要想模拟出合理的温盐环流就必须人为地提高北大西洋北部的海表盐度，文章分析了这种作法的物理根据；模式中的对流过程对于温盐环流的维持是至关重要的，对比有无季节循环的试验结果可以看出，虽然温度场的明显的季节变化只出现在模式的最上面两层，但由于引进季节循环后冬季高纬海洋的对流活动加强，后者直接影响到温盐环流，使更多的深海热量上传并向大气释放。这是使海洋温跃层得以保持合理．厚度的一个重要原因。     

CMIP6海洋模式比较计划（OMIP）概况与评述

海洋模式比较计划（OMIP）是第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）中的一个支撑子计划。OMIP致力于CMIP6中模式系统偏差来源及其影响这样一个重要科学问题。同时,OMIP也将在区域海平面变化和近期气候（未来10~30 a）或者年代际气候预测的相关科学问题上有重要贡献,这些问题被世界气候研究计划（WCRP）列为气候科学领域巨大挑战的科学问题。OMIP采用统一的大气外强迫数据集和通量计算方案,进行全球海洋-海冰耦合试验、示踪物试验以及生物地球化学循环试验。同时,OMIP提供了一套针对海洋变量的详细的诊断框架,这个框架既可以评估和改进模式模拟,也可以用于理解海洋-海冰过程在整个气候系统中的作用。     

海洋碳循环模式(Ⅱ)——对印度洋的模拟结果分析

把建好的海洋碳模式应用于印度洋区域，模拟得到了印度洋中与碳有关各化学量的表层分布、垂直分布和沿子午线面的等值线分布。与实测的GEOSECS(Geochemical Ocean－Section Study)数据作对比，模式较好地再现了印度洋上营养盐浓度、总碳浓度、总碱度和溶解氧的二维分布。通过模拟还发现，在稳定状态下，大气和海洋中总碳含量的分布依赖于发生在海洋中的各种物理化学过程及边界条件，水平扩散系数Kh和光合作用常数率Kg对各化学量的分布有较大影响(以前有学者认为不太重要，如Baes[1])；南印度洋中纬地区10°S至30°S是14C的重要向下渗透区域，人为排放的CO2可通过这片渗透区从海洋的表层输入海洋的深层。     

Factors influencing anthropogenic carbon dioxide uptake in the North Atlantic in models of the ocean carbon cycle

The uptake and storage of anthropogenic carbon in the North Atlantic is investigated using different configurations of ocean general circulation/carbon cycle models. We investigate how different representations of the ocean physics in the models, which represent the range of models currently in use, affect the evolution of CO₂ uptake in the North Atlantic. The buffer effect of the ocean carbon system would be expected to reduce ocean CO₂ uptake as the ocean absorbs increasing amounts of CO₂. We find that the strength of the buffer effect is very dependent on the model ocean state, as it affects both the magnitude and timing of the changes in uptake. The timescale over which uptake of CO₂ in the North Atlantic drops to below preindustrial levels is particularly sensitive to the ocean state which sets the degree of buffering; it is less sensitive to the choice of atmospheric CO₂ forcing scenario. Neglecting physical climate change effects, North Atlantic CO₂ uptake drops below preindustrial levels between 50 and 300 years after stabilisation of atmospheric CO₂ in different model configurations. Storage of anthropogenic carbon in the North Atlantic varies much less among the different model configurations, as differences in ocean transport of dissolved inorganic carbon and uptake of CO₂ compensate each other. This supports the idea that measured inventories of anthropogenic carbon in the real ocean cannot be used to constrain the surface uptake. Including physical climate change effects reduces anthropogenic CO₂ uptake and storage in the North Atlantic further, due to the combined effects of surface warming, increased freshwater input, and a slowdown of the meridional overturning circulation. The timescale over which North Atlantic CO₂ uptake drops to below preindustrial levels is reduced by about one-third, leading to an estimate of this timescale for the real world of about 50 years after the stabilisation of atmospheric CO₂. In the climate change experiment, a shallowing of the mixed layer depths in the North Atlantic results in a significant reduction in primary production, reducing the potential role for biology in drawing down anthropogenic CO₂.     

A global ocean biogeochemistry general circulation model and its simulations

An ocean biogeochemistry model was developed and incorporated into a global ocean general circulation model (LICOM) to form an ocean biogeochemistry general circulation model (OBGCM). The model was used to study the natural carbon cycle and the uptake and storage of anthropogenic CO2 in the ocean. A global export production of 12.5 Pg C yr-1 was obtained. The model estimated that in the pre-industrial era the global equatorial region within 15o of the equator released 0.97 Pg C yr-1 to the atmosphere, which was balanced by the gain of CO2 in other regions. The post-industrial air-sea CO2 flux indicated the oceanic uptake of CO2 emitted by human activities. An increase of 20－50 mol kg-1 for surface dissolved inorganic carbon (DIC) concentrations in the 1990s relative to pre-industrial times was obtained in the simulation, which was consistent with data-based estimates. The model generated a total anthropogenic carbon inventory of 105 Pg C as of 1994, which was within the range of estimates by other researchers. Various transports of both natural and anthropogenic DIC as well as labile dissolved organic carbon (LDOC) were estimated from the simulation. It was realized that the Southern Ocean and the high-latitude region of the North Pacific are important export regions where accumulative air-sea CO2 fluxes are larger than the DIC inventory, whereas the subtropical regions are acceptance regions. The interhemispheric transport of total natural carbon (DIC+LDOC) was found to be northward (0.11 Pg C yr-1), which was just balanced by the gain of carbon from the atmosphere in the Southern Hemisphere.     

海洋碳循环模式（I）——一个包括海洋动力学环流、化学过程和生物过程的二维碳模式的建立

利用一个全球海洋动力学环流模式所模拟的海洋环流场,建立了一个全面的二维海洋碳循环模式。此模式摒弃了传统箱模式的缺陷,充分考虑了诸如大气与海洋间的碳交换、光合作用和氧化分解、碳酸钙的产生和溶解、悬浮颗粒物的下沉等过程,尤其是在模式中耦合进了以往甚少考虑的海洋生物过程对碳循环的影响,引入了详尽合理的参数化方案。通过模拟发现：在稳定状态下,大气和海洋中总碳含量分布依赖于发生在海洋中的各种物理化学过程及边界条件,水平扩散系数和光合作用常数率对各化学量的分布有很大影响。     

海洋中碳及营养物自然分布的数值模拟

用海洋生物化学环流模式（Ｂ－ ＧＣＭ） 模拟了工业化前碳及营养物在海洋中的分布, 并得到了较为合理的结果。模式考虑了海洋表面化学和一个简单的生物过程。模式的主要预报变量有总ＣＯ２ 、碱度和磷酸盐。决定生物化学物质分布的三个参数的取值为： ＰＯＣ 通量的垂直廓线的指数ａ 取观测值０－８５８ 、生物生产效率ｒ ＝ ２／ 年和下落比Ｒ＝ ０－０６ 。用Ｂ－ＧＣＭ 模拟出的结果与ＧＥＯＳＥＣＳ观测值基本相符。     

土壤溶解性有机碳测定方法与应用

溶解性有机碳是土壤圈中一种非常活跃的化学物质,它对土壤中化学物质的溶解、吸附、解吸、迁移和毒性等行为均有显著的影响。在现代土壤研究中,出现了与溶解性有机碳相关的众多术语,分析方法也各有不同。从溶解性有机碳、水溶性有机碳、活性有机碳、易氧化碳、微生物量碳、可矿化碳不同术语的角度,概述了这类碳分析意义和测定方法,以期对土壤有机质应用研究起到积极作用。     

印度洋二维碳循环模式中表层CO2分压分布对物理和生化过程的敏感性试验

利用二维印度洋碳循环模式的模拟结果,集中对表层海洋中的CO2分压分布及其控制因子、海洋生物对海气CO2交换的影响、海洋营养物含量的改变和海洋环流的改变对大气CO2浓度的影响等进行了深入的分析和讨论,并与实际的GEOSECS观测数据的分析结果做比较;研究了与表层海洋CO2分压相关的海洋条件,较详细讨论了形成海洋表层CO2源与汇系统的决定因素及其相对重要性,得到了海洋热力因子和海洋环流对海洋表层的CO2化学过程起着决定性作用而生物过程仅处于次要地位的重要结论。此外,还利用建立的海洋碳模式进行了一些有意义的数值试验,详细讨论了海洋的物理化学因子改变对大气CO2浓度的可能影响。       

Simulation of ~(14)C in IAP/LASG L30T63 Ocean Model

1. Introduction14C is a radioactive isotope of carbon, whose halftime is about 5730 yr. Under natural circumstance,14C comes into being in the stratosphere because of thenitrogen explosion of cosmic radial. 14C is mixed inthe atmosphere, absorbed by oceans, and then trans-ported into deep ocean. 14C radioactively reduces asits age increases. The reduction process of 14C canuncover the evolvement process of sea water's age andrenewal time.14 C content is usually described with one in athousan…     

生物泵在海洋碳循环中的作用

生物过程在海洋碳的自然分布中起着重要的作用,它使海洋中碳的储量大大增加.作者用包含海洋化学过程和一个简单生物过程的三维碳循环模式模拟了生物泵在海洋碳循环中的作用.模式计算的结果表明:生物过程产生的海-气通量的量级非常大;在高纬度和赤道它的量级与因溶解度泵产生的碳的海-气通量差不多.在高纬度地区这两个通量符号相反,使组合模式中的通量大小比只有溶解度泵时的通量小,而在赤道两者的符号相同,使组合模式在赤道的通量大于只有溶解度泵时的通量.在稳态条件下生物泵对海洋吸收人为CO2的直接影响很小.