大气二氧化碳、全球变暖、海洋酸化与海洋碳循环相互作用的模拟研究

摘要

工业革命以来，大气CO2从～280ppm增加到～405ppm。一方面，大气CO2增加通过温室效应导致全球变暖。另一方面，海洋吸收CO2，降低海水pH值，造成海洋酸化。本研究使用维多利亚大学地球系统模式(UVic ESCM)进行一系列模拟试验，研究大气CO2、全球变暖、海洋酸化与海洋碳循环之间的相互作用和机制。
　　大气CO2增加引起的温度变化会通过作用于一系列海洋物理和生物化学过程，影响海洋吸收大气CO2能力。海水增温降低CO2溶解度，抑制海洋吸收大气CO2。海水增温还将减缓表层与深层海水的垂直输送，减缓北大西洋经向翻转环流，进一步抑制海洋吸收CO2。同时，海水增温通过改变海洋生物过程速率（浮游植物生长和死亡、生物碎屑再矿化等），影响海洋吸收CO2。在RCP8.5CO2浓度情景下，1800-2100年，在仅考虑大气CO2增加作用的模拟中，海洋累积CO2吸收量为586PgC。海水增暖引起的CO2溶解度降低和海洋层结性增强分别使CO2吸收量减少了34和13PgC。变暖引起的海洋生物过程变化则使CO2吸收量增加了4PgC。本研究表明，大气CO2增加和全球变暖会通过影响不同海洋关键物理、化学和生物过程，对海洋吸收CO2产生重要作用。
　　大气CO2增加将导致海洋酸化。在模拟中设定大气CO2浓度从工业革命前的280ppm以每年1％的速率增加，达到初始水平的四倍后以相同速率降回至初始水平。模拟结果表明，大气CO2从工业革命前水平增加至初始水平的四倍时，海表pH从工业革命前的8.2减小至7.7（[H+]增加了2.2倍），全球平均文石饱和面（文石是CaCO3的一种存在形式，文石饱和面所在深度以下的海水相对文石未饱和，即文石将溶解）从1288m抬升至143m。CO2渐减至初始水平时，海表pH恢复至8.1，而文石饱和面仅恢复至630m，即对于大气CO2变化，海表化学环境响应迅速，而深海的响应则明显滞后。本研究表明，即使未来能通过人工措施减少大气CO2（CO2移除地球工程），CO2增加阶段造成的深海海洋酸化还将持续很长时间，继续威胁深海生态系统。
　　海洋酸化将进一步通过海洋碳循环中的相关过程影响海洋吸收大气CO2能力。例如，海洋酸化会抑制海洋生物的钙化作用，增加海表碱度，促进海洋吸收CO2（钙化反馈）。同时，钙化作用的抑制将减少CaCO3向深海的输送，从而减少与CaCO3一起沉降的有机碳，减弱海洋生物泵，从而抑制海洋吸收CO2（压重反馈）。将海洋酸化、钙化作用与生物泵的关系，通过不同参数化方案加入模式。在SRES A2CO2排放情景下，1800-2100年，在不包括钙化和压重反馈的模拟中，海洋累积CO2吸收量为530PgC，钙化反馈使吸收量约增加4％，压重反馈使吸收量约减少3％。在更长的时间尺度上，钙化与压重反馈对海洋吸收CO2的影响加强。模拟结果还表明，压重反馈造成的有机碳在上层海洋的累积和分解，将导致上层海洋溶解氧减少。溶解氧浓度对海洋生物过程有着重要影响，溶解氧浓度的减少将影响海洋生物过程。
　　本论文利用地球系统模式，研究了海洋碳循环与海洋酸化对大气CO2与气候变化的响应，揭示了其中的关键物理、化学与生物机制和反馈作用，这对更好地预估未来大气CO2、气候和海洋环境变化具有重要意义。

目录

声明

致谢

摘要

术语表

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．2 大气CO2与海洋酸化

1．1．3 海洋碳循环概述

1．2 研究现状

1．2．1 大气CO2增加对海洋碳循环的直接影响

1．2．2 大气CO2增加导致的全球变暖对海洋碳循环的影响

1．2．3 大气CO2增加导致的海洋酸化对海洋碳循环的影响

1．2．4 本研究创新点

1．3 研究内容

2．1 模式介绍

2．2 模拟试验

3 模式模拟结果与观测数据的对比

4 大气二氧化碳增加和全球变暖对海洋吸收二氧化碳的影响

4．1 国内外研究现状

4．2 模拟试验设置与方法

4．3 大气二氧化碳增加和全球变暖对海洋吸收二氧化碳的总体影响

4．4 全球变暖影响下，海洋中不同过程变化对海洋吸收二氧化碳的影响

4．4．1 全球变暖通过影响海洋混合与环流对海洋吸收二氧化碳的影响

4．4．3 全球变暖通过影响生物过程对海洋吸收二氧化碳的影响

4．5 本章小结

4．5．1 主要结果总结

4．5．2 存在的问题和下一步研究

5 大气二氧化碳浓度变化和全球变暖对海洋酸化的影响

5．1 国内外研究现状

5．2 模拟试验设置与方法

5．3 大气二氧化碳渐升与渐减对海洋酸化的影响

5．4 全球变暖对海洋酸化的影响

5．5 本章小结

5．5．1 主要结果总结

5．5．2 存在的问题和下一步研究

6 海洋酸化对海洋吸收二氧化碳的反馈作用

6．1 国内外研究现状

6．2 海洋酸化通过影响生物钙化作用对海洋碳循环的影响

6．2．1 模拟试验设置与方法

6．2．2 主要结果

6．3 海洋酸化通过影响生物碳泵对海洋碳、氧与营养物质循环的影响

6．3．1 模拟试验设置与方法

6．3．2 主要结果

6．4 本章小结

6．4．1 主要结果总结

6．4．2 存在的问题和下一步研究

7 总结与讨论

7．1 主要研究结果总结

7．1．1 大气CO2增加和全球变暖对海洋碳循环的影响

7．1．2 大气二氧化碳浓度变化及全球变暖对海洋酸化的影响

7．1．3 海洋酸化对大气二氧化碳增加及全球变暖的反馈作用

7．2 存在的问题和研究局限性

7．3 未来的研究工作

7．3．1 存在问题的解决

7．3．2 下一步的扩展研究

参考文献

作者简历