地球系统模式中的碳循环及其检验

<正>世界气候研究计划(WCRP)提供的耦合模式对比计划第五阶段(CMIP5)的地球系统模式(ESM)较之以前增加了较为复杂的碳循环,即在原有的全球大气耦合海洋环流模式(AOGCMs)中,把大气与陆地和海洋碳循环过程加入,这样较真实地再现碳循环和物理气候系统之间的相互作用~([1])。为了表征它们之间的相互作用以及考虑碳循环响应于未来的气候变化和CO_2的变化,经常考虑碳—浓度参数化和碳—气候反馈参数化,这是两个强的和相反的反馈。碳—浓度参数化是度量陆地和海洋碳库对大     

NASA认为云是引起全球变暖的关键因素

鉴于卷云对气候的潜在影响和在大气层中的高度,以及它在全球出现的高频次,NASA(美国国家宇航局)已经开始研究羽状卷云,以求更深入地了解全球气候并预报它的未来形势。这些云在气候预报中起着主要的作用,除可以控制地球大气向外散失热量的多少外,当二氧化碳的增加导致全球温度变化时,它们具有重要的潜在反馈作用。     

气候系统及模式中反馈机制研究 I.概念和方法

气候系统中存在着各种各样的气候反馈机制,而气候模式对这些反馈机制描述的差异,正是造成不同模式对同一直接辐射强迫（如二氧化碳加倍）的响应不同的主要原因。因此,只有正确描述气候系统中的各种反馈作用,气候模式才可能用来对未来的气候变化进行预测。为此,本文首先介绍了气候系统及模式反馈机制分析研究时所常用的一些概念,如气候敏感性参数、云辐射强迫等,随后概述了气候模式反馈机制比较分析时常用的各种方法,并指出了这些方法各自的优缺点。而详细的有关气候系统及模式中反馈作用及其机制的分析则在文章的第ＩＩ部分给出。     

气候系统及模式中反馈机制研究 Ⅰ.研究和方法

气候系统中存在着各种各样的气候反馈机制,而气候模式对这些反馈机制描述的差异,正是造成不同模式对同一直接辐射强迫（如二氧化碳加倍）的响应不同的主要原因。因此,只有正确描述气候系统中的各种反馈作用,气候模式才可能用来对未来的气候变化进行预测。为此,本文首先介绍了气候系统及模式反馈机制分析研究时所常用的一些概念,如气候敏感性参数、云辐射强迫等,随后概述了气候模式反馈机制比较分析时常用的各种方法,并指出了这些方法各自的优缺点。而详细的有关气候系统及模式中反馈作用及其机制的分析则在文章的第II部分给出。     

二氧化碳与气候的最近研究结果

对于大气中二氧化碳含量的不断增加,人们通常从两方面去进行研究。1.预测二氧化碳含量的未来增加趋势。这一方面要用到经济发展模式以计算未来工业上的二氧化碳排放量;另一方面还要通过对大气、海洋、生物圈、沉积物等中二氧化碳的储存量及其相互交换进行细致的测量,以建立二氧化碳的循环模式。2.预报大气中二氧化碳含量大量增加对气候系统可能产生的影响。大气中二氧化碳含量增加后显然会影响到辐射的传输。其中第二个问题与气象学者和气候问题研究者的关系特别密切,迄今对此已有大量的研究,即以二氧化碳对气候影响的理论研究来说,近几年来所发表的研究成果已不下数百篇。本文归纳各家研究成果,指明要点,分别异同,在此基础上进行综合评述。     

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。     

海洋对大气反馈的研究进展及其诊断方法讨论

回顾了近10 a海洋对大气反馈作用的研究进展,讨论待解决的一个关键问题——怎样在观测研究中有效分离不同海区对大气异常的独立贡献.一般常用方法为利用线性回归或偏相关方法扣除外来主要干扰因子(事先已知),但该方法对解决外来未知海区影响有很大的局限性.广义平衡反馈分析方法(generalized equilibrium feedback assessment,GEFA)可以避免传统方法受未知海区影响的困扰,自动把各海区对大气异常的单独贡献分离出来.它的有效性在简单模式和观测分析中得到了初步验证.GEFA为提高海洋对大气反馈作用的认识提供了一种简单有效的统计工具.     

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。     

大洋环流和海—气交换

海洋通过海-气交换过程对气候产生重要的影响.然而,我们现有对这些过程认识的局限性是不能够精确模拟气候变化的重要因素.本文评述海洋结构和环流的现有知识,特别重点放在南半球海洋,而且讨论了主要的海-气交换,还讨论了全球变暖情况下的南北半球非对称性的影响.在九十年代,通过实施计划中的一些国际海洋研究试验,将改进对海洋的认识,进而得到更完善的气候模式.     

气象科技动态

大气与海洋热量输送也可致全球升温除了二氧化碳、水蒸气、大部制冷剂,还有什么能影响气候变暖?近日《自然-气候变化》上发表的一项研究表明,大气和海洋系统中热量传输方式的变化,对未来全球升温也有影响。     

在华北玉米生育期观测的16 m高度CO2浓度及通量特征

利用中国气象局固城农业气象生态试验站2004年玉米生育期通量观测资料,分析了CO2浓度和通量随玉米生长的变化,并估算了玉米生育期陆地与大气CO2净交换量。结果表明:CO2浓度变化对农户活动和作物生长极其敏感;浓度在整个生育期始终有明显的日变化规律,峰值（谷值）出现在日出（日落）前后,通量仅在7月中旬至10月上旬之间出现明显的日变化特点,且位相超前于浓度,开花期通量最大;玉米播种期、苗期和成熟后地面向大气净排放碳, 拔节至成熟前地面从大气净吸收碳;开花期碳吸收最强,其后依次为吐丝－乳熟期和拔节期。比较分析了目前流行的通量计算方法对碳吸收估计的影响,结果显示不同计算方法能产生高达160%的碳吸收估计偏差,应当引起重视。生态系统碳平衡分析结果表明,玉米地在生长季表现为弱碳汇（大约660 kg/hm2）,但这一结果可能低估了实际的碳汇强度,低估程度有待研究。     

大气中一半的二氧化碳消失到哪里去了?

简要介绍目前国外研究大气二氧化耐烦收支的测量方法。主要讨论利用涡旋相关法进行近地面能量,二氧化面碳通中遇到的问题以及近年来北美地区进行的大规模地面测量所取取得的主要成果。     

中国参与长期（2000-2050年）CO2减排的情景选择

利用国外较为成熟的气候与经济综合评估模型（DICE/RICE）,通过调整CO₂排放控制率,对我国2000-2050年的若干CO₂排放情景进行了设定,在保证大气CO₂总量稳定的前提下开展了若干CO₂减排方案下我国CO₂排放量、经济发展水平和效用水平的影响评估。研究结果表明,若干CO₂减排方案都可以使未来200年的全球平均地表温度增量控制在3.2℃的气候安全阈值范围内,都可以有效地保护全球气候安全。当我国到2050年的CO₂排放量从2000年的253%控制为50%时,国内生产总值(GDP)的下降幅度从0.33%增加到12.22%,相对应的效用值的下降幅度从0.00422增加到0.09946,其下降幅度都随CO₂减排额度的加大而增加。为此,我国将要追加621.96亿～13784.73亿美元的气候投资,占GDP的0.19%～10.5%。因此,从最大程度地减少实施减排所需要的气候投资和对我国经济影响的角度出发,我国应该优先选择到2050年CO₂排放量控制为2000年的253%这个方案。     

影响青藏高原植被生理过程与大气CO2浓度及气候变化的相互作用

利用一陆面过程模式,初步模拟研究了青藏高原夏季风盛行期植被生理过程与大气CO2浓度及气候变化的相互作用。结果表明,气候以及大气CO2浓度变化对青藏高原地区的植被生理过程有较明显的影响,高温、高温和高CO2浓度将加强高原植被的光合作用和呼吸作用,有利于植被生长。高原植被也可通过生理过程,产生净CO2呼收,降低大气CO2含量,起到调整温室效应的作用,从而影响全球气候变化;当气温升高、大气CO2增加时,这种作用更加有效。青藏高原地区大气CO2浓度加倍,对高原地区气候的直接影响不明显。植被的存在也会影响区域气候变化,并可通过改变高原热源,进而影响高原及其周边地区气候变化。文中还归纳出了植被生理与气候相互作用的简单概念模型。     

陆面模式中土壤呼吸的研究概况

土壤呼吸是陆地植被吸收的CO2返回大气的基本途径,土壤呼吸速度轻微变化也会引起大气中CO2浓度的明显改变,进而影响气候变化。陆面过程模式中更好地描述土壤呼吸过程对于预测未来气候变化是至关重要的。对于土壤呼吸的模拟研究,介绍了经验模型和以过程为基础的机理模型,以及国内外陆面过程模式中土壤呼吸的研究情况,并讨论了土壤呼吸模式中需要改进的问题。       

An experimental study on absorption properties of NO,NO2, NH3, CO2 and H2O by using line-tunable co laser

Measurements of absorption properties of some gases in the atmosphere were made by using CO line-tunable laser. Experimental equipment and method are briefly described. Absorption coefficients of NO, NO2, NH3, CO2 and H2O at some definite laser wavelengths are given, and variations of absorption properties with both partial and total pressures are discussed.     

青岛大气臭氧及其前体物时间变化与污染特征

利用2003年12月—2005年3月青岛八关山观测资料,分析大气中O3、NOX和CO浓度时间变化规律与影响因素,探讨O3及其主要前体物NOX、CO间复杂的相互作用及相关关系。结果表明:青岛NO2日平均浓度年超标率为25%;受光化学反应及大气运动等影响,NOX与CO浓度为冬季高、夏季低,O3与之相反;NOX与CO浓度日变化呈双峰型分布,日间高于夜间;O3浓度峰值出现于午后(滞后于NOX约5 h),阴雨天夜间浓度出现回升。经滞后相关分析,NOX对O3浓度变化的累积效应作用时间为5—6 h;O3与NO、NO2浓度比值可较明显地验证出辐射强度与尾气排放对青岛及其他地区污染特征的影响。青岛CO与NOX比值在不同天气条件下维持在10.0左右,可用于定性估计其大气污染特征。     

大气中CO2浓度增加对大气顶射出辐射影响的监测

本文分析了大气中CO2浓度增加对2380-2400 cm-1范围大气顶射出辐射的影响，对温度和其它一些大气成分可能的干扰也进行了考察，提出了可以从卫星上对CO2浓度增加的辐射影响进行监测的通道。     

CO2浓度增加对植物生长和农业生产的影响

评述了近年来国内外有关大气中CO_2含量的增加趋势及其对植物生长和农业生产影响的研究进展。指出,无论是“直接效应”还是“间接影响”都有有利和不利两方面的影响;虽然,目前有“弊大于利”的趋向性认识,但由于科学理论上的许多不确定性,如何进行综合评估是今后要大力深入研究的重要课题。     

利用红外辐射光谱反演大气CO2浓度的理论研究

依据最新的大气分子光谱数据集（HITRAN 2004）,利用逐线积分辐射传输模式,模拟计算了大气顶射出红外辐射光谱及其对大气CO2浓度变化的灵敏度,发现：大气CO24．3μm吸收带,特别是2241-2249cm^-1、2250-2258cm^-1、2259-2267cm^-1和2382—2390cm^-1波段射出的红外辐射,随CO2浓度的增加而显著降低,且很少受其他大气成分变化干扰,因此特别适于用来遥感探测大气CO2浓度的变化。根据最优非线性反演方法,反演获得了0-15km的大气CO2廓线,结果表明,利用上述4个通道的红外辐射值,可精确反演出自由对流层的CO2浓度变化。