地球系统动力学模式及模拟研究

将地球上大气、海洋、地理环境和生态各圈看成一个有机的整体进行研究,并统一协调全球气候、生态与环境变化的有关研究（如WCRP、IGBP、IHDP、DIVERSITAS及IPCC、Global Change等),现称为地球系统动力学。它是新兴的学科,其核心之一就是要建立地球系统动力学理论模式并作模拟研究。本文主要概述了我国地球系统动力学模式研制和发展的有关现状及近年来特别是中国科学院“三期创新”资源和海洋科技创新基地重要方向项目群“地球系统动力学模式研究”启动前后所取得的阶段性成果及主要进展,指出了我国地球系统动力学模式发展应重点研究和解决的科学问题及其主要特色,其中有不少结果是新颖的和具有我国特点的。     

二氧化碳海气交换通量估计的不确定性

尽管确信海洋是人为CO2 的一个巨大碳汇 ,但其确切的数字及其未来变化趋势至今仍有较大的争议。分析讨论了国内外这方面的研究成果 ,特别是近几年的研究进展 ,指出了在计算海气交换通量时存在的主要问题。计算CO2 气海交换系数的公式尚未取得一致 ,在相同的风速下 ,不同的公式可产生百分之几十的差别。计算的CO2 分压因使用不同的热力学常数表达式而导致不同的结果 ,差值可达 3Pa。进一步讨论了基于观测和模式估计的CO2 气海交换通量的不确定性 ,并指明了模式结果存在的差异。根据CO2 分压的观测资料估计 1 990年和 1 995年全球海洋分别吸收 1 .4 5GtC和 2 .2 5GtC的CO2 ,该估计有 5 0 %的不确定性 ,4个全球海洋环流碳循环模式估计 1 980— 1 989年间海洋每年吸收人为CO2 为 1 .5～ 2 .2GtC。评述了通量的季节变化和年际变化 ,年际变化与发生在太平洋中的厄尔尼诺现象有关。     

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。       

大气气溶胶的酸化与相对湿度的关系及其对酸雨形成的贡献

从大气气溶胶的微物理结构出发,研究了气溶胶表层膜受大气相对湿度(Hr)的影响发生S(+4)氧化成为硫酸的过程,同时给出了不同湿度条件下污染大气中气溶胶粒子酸化作用的理论分析结果.研究分析表明,气溶胶颗粒表面的水份含量对于成功的氧化过程是一个必不可少的条件.由于周围环境大气相对湿度能够极大地改变气溶胶粒子的水份含量,因而,它也能对气溶胶粒子酸化作用的程度产生影响.研究发现,对于吸湿性气溶胶,在相同的条件下,Hr≤30%的干粒子和Hr≥70%的湿粒子都会经历不同程度的酸化.     

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。