A two-dimensional zonally averaged ocean carbon cycle model

An ocean carbon cycle model driven by a constant flow field produced by a two-dimensional thermohaline circu-lation model is developed. Assuming that the biogenic carbon in the oceans is in a dynamic equilibrium, the inorganic carbon cycle is investigated. Before the oceanic uptake of CO2 is carried out, the investigation of 14C distributions in the oceans, including natural and bomb-produced 14C, is conducted by using different values of the exchange coefficient of CO2 for different flow fields (different vertical diffusivities) to test the performance of the model. The suitable values of the exchange coefficient and vertical diffusivities are chosen for the carbon cycle model. Under the forcing of given preindustrial atmospheric CO2 concentration of 280 ppmv, the carbon cycle model is integrated for seven thousand years to reach a steady state. For the human perturbation, two methods including the prescribed at-mospheric pCO2 and prescribed industrial emissions are used in this work. The results from the prescribed atmospher-ic pCO2 show that the oceans take up 36% of carbon dioxide released by human activities for the period of 1980-1989, while the results from the prescribed industrial emission rates show that the oceans take up 34% of car-bon dioxide emitted by industrial sources for the same period. By using the simple method of subtracting industrial emission rate from the total atmosphere+ocean accumulating rate, it can be deduced that before industrial revolution a non-industrial source exists, while after 1940 an extra sink is needed, and that a total non-industrial source of 45 GtC is obtained for the period of 1790-1990.     

二维海洋温盐环流碳循环模式

提供了由二维温盐环流动力学模式得到的定常流场驱动的海洋碳循环模式。在认为海洋生物碳循环达到动态平衡的情况下，着重研究了无机碳的循环。在给定的工业革命前的大气CO2浓度强迫下，对海洋碳循环模式积分5000年后，使其达到稳态。对于人为扰动，采用给定大气CO2浓度作为上边界条件，结果是，1980年至1989年海洋能吸收人为排放CO2的36%。通过使用CO2的工业排放源和大气及海洋的联合模式，得到1980至1989年的边际气留比为0.66。比较两种方法所得的结果，可推出在工业革命前存在着非工业源，即生物源；1940年以后，则还存在着一个未知的汇。     

带生物泵三维全球海洋碳循环模式

建立了一个带生物泵的三维全球海洋碳循环模式,该模式在海气界面上与一个CO2充分混合的大气箱进行CO2交换,模式积分1 200年达到准稳定态的海水总CO2、碱度及溶解氧的浓度、表层新生产力、海气分压差等的分布与实测相接近。通过带生物泵和不带生物泵的对比实验,表明海洋生物过程在海洋吸收大气中CO2能力上起着重要作用。     

二维的大气CO2——大西洋碳循环模式

本文描述了一个二维（纬度×深度）的大西洋碳循环模式，模拟了大气和海洋间CO2的交换以及碳在海洋中的输送过程。模式在运行时使用了一个12层的三维动力学模拟的海洋环流的结果。大西洋被划分成397个网格箱，每个箱子中各种形式的碳的含量、总碱度、溶解的无机营养物和溶解氧的浓度以及几种14C(碳14)同位素的值分别得到求解。模式稳定状态的计算采用解大型稀疏线性方程组的直接解法。计算结果与“地球化学的海洋研究（GEOSECS）”的实际观测数据对比，表明模式较好地再现了实际大西洋中几种化学量的分布。     

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（ＧｅｏｃｈｅｍｉｃａｌＯｃｅａｎ—Ｓｅｃｔｉｎｎ 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。     

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。       

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。     

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.     

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。     

Centennial oscillations in an ocean-ice coupled model

Irregular centennial oscillations, with a spectral peak at 106 years, were obtained from an ocean-ice coupled model for the North Atlantic with realistic coastline and bottom topography. The model’s thermohaline circulation is forced by mixed boundary conditions, i.e., a Haney-type relaxation condition for temperature, but an equivalent virtual salt flux condition for salinity. All forcing fields are taken from the observed monthly mean climatological wind stress and buoyancy fluxes. The oscillations appeared in the form of a surface-intensified tripole in both the sea surface temperature and salinity fields located in the vicinity of the Labrador Sea. The oscillations involve a delicate interplay between heat and fresh water advection by meridional overturning circulation, horizontal gyres, vertical convection, and the seasonal cycle. The oscillations are primarily control?led by the salinity component of the circulation; however, sea ice plays a minor role in driving the oscillations observed in the model. On the other hand, a regular seasonal cycle in the forcing fields is an important ingredient for the centennial oscillations.     

一个太平洋海盆尺度环流模式及其模拟结果

在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(LASG)发展的全球气候海洋环流模式(LICOM)的基础上构建了一个太平洋海盆环流模式,并对其模拟结果进行了深入的分析.在模拟中对中尺度示踪物输送采用了两种方案,即传统的水平扩散方案(HOR)和包括涡旋诱导速度的等密度面扩散方案(GM).对这两个试验的气候平衡态结果分析发现,该模式较好地模拟出了太平洋的环流特征,包括副热带大涡、副极地涡旋以及南极绕流(ACC)等.赤道附近的各种流系亦得到了较好的模拟,模拟的150°W赤道潜流的最大流速为40 cm/s,出现在次表层130 m左右,虽然模拟值比基于NCEP资料估计的最大流速80 cm/s小,但与其位置十分相近.两个试验均较好地模拟出了温盐的分布结构,包括北太平洋和南太平洋中层水的形成以及南极底层水的输送等.通过详细分析两个试验结果发现,总的说来在目前模式所采用的参数条件下,GM的结果稍好于HOR的结果.这些模拟结果表明,在LICOM基础上构建的太平洋环流模式从总体上是能再现许多观测特征的,可为今后进一步研究被动示踪物在北太平洋的分布等问题提供一个十分有用的工具.     

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…     

Design and Numerical Simulation of an Arctic Ocean Circulation and Thermodynamic Sea－Ice Model

In this paper, the first version of a new Arctic Ocean circulation and thermodynamic sea-ice model is presented by the authors based on the framework of a twenty-layer World Oceanic general circulation model developed by Zhang et al. in 1994, The model’s domain covers the Arctic Ocean and Greenland-Norwegian Seas with the horizon-tal resolution of 200 km × 200 km on a stereographic projection plane. In vertical, the model uses the Eta-coordinate (Sigma modified to have quasi-horizontal coordinate surfaces) and has ten unevenly-spaced layers to cover the deep-est water column of 3000 m. Two 150-year integrations of coupling the ocean circulation model with the sea-ice model have been performed with seasonally cyclic surface boundary conditions. The only difference between the two experiments is in the model’s geography. Some preliminary analyses of the experimental results have been done fo-cused on the following aspects: (1) surface layer temperature, salinity and current; (2) the "Atlantic Layer"; (3) sea-ice cover and its seasonal variation. In comparison with the available observational data, these results are accept-able with reasonable accuracy.     

全球海洋模式对不同强迫场的响应

使用中国科学院大气物理研究所研制的全球海洋环流模式(LASG/IAP Climate system Ocean Model,LICOM),通过设计三个试验,即以德国马克斯—普朗克气象研究所整理的海洋模式比较计划(OMIP)资料和美国国家海洋资料中心(NODC)发布的《世界海洋图集2009》(WOA09)资料为强迫场的试验W,用美国环境预报中心(NCEP)和国家大气研究中心(NCAR)联合推出的NCEP/NCAR再分析资料(简称NCEP资料)中的风应力资料代替试验W中的风应力资料的试验M,以及用NCEP资料中的热力强迫代替试验M中的热力强迫资料的试验N,来研究不同的热力和动力强迫场对模式的影响。三个试验的模拟结果均模拟出了水团和流场的分布型和极值区。从三个试验的结果对比可以看出,NCEP资料较弱的风应力使得试验M环流场明显偏弱,减弱了大洋内部的温盐输送,加大了深海温盐模拟结果与观测资料的偏差,但对原模式过强的南极中层水的输送有所改善。NCEP的短波辐射通量和非短波热通量弱于OMIP,且在两极区域NCEP资料的海表温度比WOA09资料最多低 4℃以上。试验N的模拟结果改善了南大洋60°S以南海区试验W 模拟的海表温度偏高问题,减小了北冰洋部分海域以及副热带大洋东部海表温度的偏差。此外,试验N高纬度较低的海表温度增强了北大西洋深水以及南极底层水的输送,因而改善了深海的温盐模拟结果。三个试验在一些关键海区得到的经向热输送在观测估计及前人模拟结果的范围中,总体上试验M的输送最弱。综合三个试验的模拟结果,可以认为OMIP风应力资料和NCEP海表温度资料更适合作为LICOM模式的强迫场。     

全球二氧化碳循环的一维模式研究

本文用一个全球碳循环的一维模式重建了1860年以来的大气二氧化碳浓度。结果表明:(1) 模拟结果与冒纳罗亚（Mauna Loa）的观测结果之间存在极好的一致性；(2) 海洋虽然是人类活动释放的CO2的最重要的汇，但其作为碳汇的能力受到海洋缓冲效应的限制。海洋吸收CO2的速率还与某些响应过程密切相关；(3) 在全球碳循环中，生态系统的作用是双重的:人类活动对它的破坏使它成为CO2的源，而其对过量CO2的响应又使其成为CO2的一个汇。工业革命以来，人类对生态系统的破坏与其自身的恢复大致是同量级的；(4) 陆地生物圈缩短了整个碳循环系统对人为扰动的响应时间。     

Fundamental Framework and Experiments of the Third Generation of IAP/LASG World Ocean General Circulation Model

1.IntroductionThefirstbaroclinicoceanicgeneralcirculationmodel(OGCM)developedattheStateKeyLaboratoryofNumericalModelingforAtmosphericSciencesandGeophysicalFluidDynamics(LASG),InstituteofAtmosphericPhysics(IAP)isafour--layermodelwithitshorizontalresol...     

Ocean Response to a Climate Change Heat-Flux Perturbation in an Ocean Model and Its Corresponding Coupled Model

State-of-the-art coupled general circulation models(CGCMs)are used to predict ocean heat uptake(OHU)and sealevel change under global warming.However,the projections of different models vary,resulting in high uncertainty.Much of the inter-model spread is driven by responses to surface heat perturbations.This study mainly focuses on the response of the ocean to a surface heat flux perturbation F,as prescribed by the Flux-Anomaly-Forced Model Intercomparison Project(FAFMIP).The results of ocean model were compared with those of a CGCM with the same ocean component.On the global scale,the changes in global mean temperature,ocean heat content(OHC),and steric sea level(SSL)simulated in the OGCM are generally consistent with CGCM simulations.Differences in changes in ocean temperature,OHC,and SSL between the two models primarily occur in the Arctic and Atlantic Oceans(AA)and the Southern Ocean(SO)basins.In addition to the differences in surface heat flux anomalies between the two models,differences in heat exchange between basins also play an important role in the inconsistencies in ocean climate changes in the AA and SO basins.These discrepancies are largely due to both the larger initial value and the greater weakening change of the Atlantic meridional overturning circulation(AMOC)in CGCM.The greater weakening of the AMOC in the CGCM is associated with the atmosphere–ocean feedback and the lack of a restoring salinity boundary condition.Furthermore,differences in surface salinity boundary conditions between the two models contribute to discrepancies in SSL changes.     

全球海洋环流模式中氚分布的模拟

氚（3H）作为一种重要的被动示踪物,经常被用于研究海洋中的物理过程及评估海洋环流模式的模拟性能。使用一个全球海洋环流模式（LICOM）来研究氚在海洋中的分布、存储和输送。模拟的全球氚通量表明,1975年之前氚主要由海气交换输入海洋,特别是在1963年,氚的气体交换输入约为降水输入的2.5倍,1975年之后两种方式的氚输入通量都大幅减少。比对GEOSECS（Geochemical Ocean Sections Study,1972～1978年）和WOCE （World Ocean Circulation Experiment,1989～1995年）大洋观测计划期间的观测资料发现,我们的模式很好地模拟出了氚的海表分布、水柱总量、经向分布以及次表层的高值信号,主要缺点在于模拟的氚向深层的穿透不足,特别是在全球的两个副热带地区,表现尤为明显,氚输入函数的不确定性和模式物理场描述的不足可能是造成误差的主要原因。模式给出的海洋中氚储存总量的结果与基于观测得到的结果比较吻合,如北太平洋海区：1973～1974年模拟结果约为20.4 kg,相同期间观测估计值为21.1±4.7 kg,1989～1995年模拟结果为20.7 kg,相同期间观测估计值为23.4±2.0 kg。氚在等密度面上高低纬的侧向通风明显,模式成功模拟出氚从中高纬的海表进入,沿等密度面向低纬的次表层输送,又经大洋环流和扩散分别向南半球和高纬输送的过程。     

海洋碳循环与全球气候变化相互反馈的研究进展

海洋作为地球上一个主要吸收二氧化碳的汇,储存大量的二氧化碳.海-气间的二氧化碳交换,使得海洋中碳对气候产生反馈作用,从而影响着大气中CO2的浓度,甚至影响到全球气候的变化.本文主要介绍了海洋碳循环的过程,以及海洋碳循环过程对气候的反馈作用.     

海洋对人为CO2吸收的三维模式研究

文中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海洋对大气CO2的吸收,并分析了碳吸收的纬度分布。模拟工业革命以来海洋对大气CO2的吸收表明:海洋碳吸收再加上大气CO2的增加只占由化石燃料燃烧、森林砍伐和土地利用的变化而释放到大气中的CO2的2/3。1980～1989年期间海洋年平均吸收2.05GtC。海洋人为CO2的吸收有明显的纬度特征。模式计算的海洋CO2的吸收在总量与纬度分布上与观测结果比较相符。