海洋动力学 -中国海洋大学海洋动力学

文丨波波百谈

$ U4 |& w) r& G' H( {8 i

编辑丨波波百谈

大气CO的增加人类活动造成的浓度被海洋严重抑制，其一氧化碳吸收量由海洋状况决定，而海洋状况又受到气候变化的影响。

我们研究了大气CO反馈回路中海洋碳吸收的机制浓度，气候变化和大气，海洋一氧化碳，通量，使用马克斯普朗克研究所地球系统模型（MPI-ESM）的一个版本进行，其中包括碳循环。

; s* p: A m T" p

在两个实验中观察到人为的一氧化碳排放量规定到2000年，然后根据气专委设想A2的排放量，在一个模拟中，大气CO变化的辐射强迫被考虑在内（耦合），在另一个中被抑制（非耦合）。

在两次模拟中，海洋碳吸收量从1年的1960 GT C年增加到4年的5.2070 GT C年，之后，这种趋势在耦合仿真中减弱，导致与非耦合仿真相比，10年的吸收率降低了2100%。

: c T( u5 p; Q, V

这包括由于大气中 CO 较高而导致的部分偏移由于陆地生物圈对碳的吸收减少，耦合模拟中的浓度，两种模拟之间的海洋碳吸收差异主要是由于分压差，其次是溶解度变化。

这些贡献被海冰融化和风力变化引起的气体转移速度的变化所抵消，主要差异出现在南大洋（45%）和北大西洋（30%），分别与垂直混合减少和北大西洋经向翻转环流有关，在极地地区，海冰融化会诱发额外的一氧化碳2摄取（+20%）。

( f. s" i8 S! e6 }

! K% [6 z7 ^% V; a I* K

过去150年全球气温的升高至少部分归因于大气CO的增加由于人为活动造成的浓度，例如矿物燃料燃烧和森林砍伐的不断增强，这些排放导致大气中一氧化碳的增加浓度从280年的1800 ppm到369年的2000 ppm。

然而，这一增长仅占CO总量的一部分，排放，因为只有大约一半的排放物储存在大气中，海洋占释放一氧化碳的三分之一以上，在评估海洋碳循环方面已经付出了很多努力，特别是大气，海洋CO的预算和空间分布通量。

% z; p: z3 c/ W! ?2 D2 K- C7 a

此外，还利用具有不同复杂性的耦合大气海洋环流模型（AOGCM）进行了模拟，以评估未来的CO，在CO不断增加的假设下对海洋的吸收排放和随之而来的气候变化。

: F2 b! ~0 l; Q. E3 e% f! s& I

首先，这些模拟不允许估计大气CO的响应内容，到变更一氧化碳对陆地和海洋的吸收，已经进行了这种在气候和碳循环之间完全耦合的模拟，以评估气候，碳循环反馈的大小和机制。

' P: x# S/ u7 `+ r W% u% C+ A. w- y

到二十一世纪末，大气中的一氧化碳2在气候变暖的情况下，由于陆地和海洋对土壤的吸收较少，浓度还增加了约250 ppm，研究了11个耦合气候，碳循环模型的反馈，他们表明气候变化与大气CO之间的反馈是积极的。

对于所有模型，气候变化引起的大气，陆地通量占主要贡献，而海洋贡献较小，对于除一个模型外的所有模型。

' B4 A- J v1 e

5 n* G k$ t. {3 B N8 m5 K

在包括气候变暖在内的模拟中发现的海洋吸收量小于抑制气候变暖的模拟，这往往会增加大气中的一氧化碳代表了海洋的积极反馈贡献。

9 a. s H7 c- ^

前面已经讨论了温暖气候中海洋碳循环的一些潜在物理和生物地球化学驱动因素，主要有利于海洋一氧化碳的减少，气候变化引起的吸收，海洋变暖降低了CO的溶解度以及随后的《公司条例》海洋吸收（溶解度降低泵）。

海面温度的升高和表层水的清新程度增强加强了热分层，一方面，预计这会使混合层深度（MLD）变浅，从而减少碳向深海的垂直运输。

另一方面，通风的减少有利于减少向表层的养分运输，从而减少地表水中的初级生产。

4 t$ X' P8 G% A4 g+ f

" ^+ q e' U. S- i4 S9 F! N/ ~, ?

在气候变化条件下，海洋环流经历了一些重大变化，如大西洋经向翻转环流减弱，这表明这可以减少碳向深海层的垂直输送。

南半球主风带的增强和极地移动，预计在气候变暖的情况下，被怀疑维持了强劲的南大洋倾覆，使海洋增加了人为CO的运输进入深海。

研究的主要范围是调查导致CO预测变化的机制，海洋吸收，出于这个原因，我们评估了马克斯普朗克研究所地球系统模型（MPI-ESM）的两个瞬态模拟，包括大气，海洋（包括生物地球化学）和陆地表面（包括植被）。

两种模拟都随着 CO 的增加而强制排放，在两次模拟中，大气中的一氧化碳与陆地和海洋碳循环相互作用。

) D2 E6 B: `4 P' G; j6 J) C( P

由于大气一氧化碳的增加，温室气体变暖仅在一个模拟中允许，而在另一个模拟中被禁止。

因此，CO之间的区别通量反映了温室气体变暖对碳循环的影响，对这两种模拟进行了评估，特别关注陆地生物圈，他们的研究证实了先前关于气候碳循环积极反馈的发现。

- D% J- Y+ ?- b; W$ C4 ^2 c

' J1 u# N6 t: x, ? C1 O

特别是，发现这种反馈主要是热带陆地生物圈，占气候变化影响的80%以上，而较小的贡献（<20%）归因于海洋，这些模拟也包括在模型比较研究中。

. _- `" @; w* [& g8 `- V

他们发现MPI-ESM在80年模拟的全球变暖引起的额外大气浓度约为2100 ppm，在大多数模型获得的50-100 ppm范围内

' V6 t) ^6 L& u( Z) U

此外，他们发现CO的变化2MPI-ESM模拟中陆地和海洋的吸收也在大多数模型的范围内，海洋碳气候反馈虽然小于陆地的贡献，可能仅仅是由于其反应滞后，但海洋碳气候反馈具有根本意义，

因为海洋是人为碳的主要汇，海洋碳循环关键特征的变化，例如海温，环流，海冰覆盖和出口，应该会改变海洋碳循环，进而可能导致大气一氧化碳的根本变化。

& I/ g( i) R! m1 ]

在这项研究中，我们首先调查了CO的全球和区域预算，磁通量及其在耦合和非耦合仿真之间的差异，然后我们检查导致 CO 变化的过程气候变化导致的通量。

; f9 |5 x2 V: A% y- s+ p: z

所以，我们研究了决定大气，海洋CO的特性，通量以及与大气，海洋CO相关的大气和海洋特性通量。

+ H) L: |1 P* Y. R) ^

这包括对这些区域的一些海洋内部环流特征的开采，这些特征显示出强烈的一氧化碳，通量对气候变化的反应。

U1 k! z8 @; Y5 T+ I9 B

我们调查了总 CO通量，包括自然通量和人为通量，通过这种方式，我们考虑了气候变化对总通量的影响。

! t- ?. m* O) d4 Z

# c, Y: g( G, ^# f5 ?

如上所述，一些研究得出结论，与陆地相比，海洋对气候变化的反应很小，显示年度海洋CO的时间演变耦合和非耦合仿真中的吸收，直到模拟期的最后几十年，两个模拟之间才获得了显着差异，表明海洋对气候变化的反应很小。

! J5 }3 ~7 B1 ]" R1 j

然而，在我们的模拟中，海洋CO的变化吸收不仅是海洋对气候变化的反应，也是对大气中一氧化碳增加的反应，由于陆地对气候变化的快速反应。

- |5 T' u# K$ H% `* V

陆地效应增强了大气CO的增加2，迫使海洋分别增加涌入和减少释气，因为气海一氧化碳通量成正比，因此，如果地面 CO2由于全球变暖，吸收减少，正如我们的模拟一样，更多的一氧化碳留在大气中，有利于净一氧化碳流入海洋。

& t9 V6 s" e" @! n; I8 K: ?- Q& o

这种陆地效应可能部分补偿气候变化的影响，为了解释这一点，海洋CO吸收显示为大气一氧化碳的函数对于两种瞬态仿真。

4 D6 l9 e( I0 ^/ F Z1 ?6 s4 _# c

揭示了对于大气氧气浓度低于 400 ppm 两种模拟的特征都是相同数量的海洋一氧化碳吸收并表现出强斜率，表明海洋吸收随着大气CO的增加而大幅增加。

对于更高的一氧化碳集中度，曲线在耦合模拟中的斜率往往小于非耦合模拟中的斜率。这意味着给定的海洋一氧化碳获得不同大气CO的吸收两次模拟中的浓度，只能归因于气候变化。

7 F8 p- a1 @8 T8 w/ j# Q- T

- E' a" T2 @( D8 k5 V

适用于高大气CO排放水平，相同量的一氧化碳获得大气一氧化碳的吸收耦合模拟中的浓度比非耦合模拟中的浓度高约25%，这反映了耦合模拟中海洋吸收CO的能力减弱。

2 ?# K8 j9 K' m* {, O

耦合和非耦合仿真之间的全局积分差异的特点是直到二十一世纪初，行为几乎保持不变，并且在过去的几十年中急剧下降。

h/ @9 {9 \3 D$ N5 ~/ N- x/ P

* C* |1 ^8 m+ d# d1 r

这导致大气中CO的进一步升高，因此代表海洋CO之间的正反馈吸收和大气一氧化碳浓度，海洋一氧化碳的减少与非耦合仿真相比，耦合模拟在之前的吸收量超过5.2100 Gt C/年。

& U5 k9 ~- f" s/ X

这大约是耦合模拟中总摄取量的10%，SO区域占全球海洋面积的20%，占CO差异0.25 Gt C 年通量，这是 两次模拟之间全球差异的一半。

5 ?. U t# X+ t$ q4 Y9 f) ?

: X* u$ L+ C! A+ t, f# @0 ]6 I: D

值得注意的是，NA区域对耦合和非耦合模拟之间的差异贡献很大比例（0.16 Gt C/年），尽管两种模拟获得的绝对增加相对较小，事实上，两次模拟之间的全球差异中约有三分之一是由于NA的变化造成的，仅占海洋表面的5%。

. a. x5 M' y; Y: L1 a

在EQPI区域，对气候变化的净响应微不足道，在这里，CO的减少2在过去几十年的仿真中，非耦合运行的吸收在前几十年的可变范围内。

CO的各种时间变化，数量和方向通量变化表明大气CO之间存在不同的反馈机制，气候和海洋一氧化碳吸收作用于不同领域，影响CO的数量变化根据方程的通量。

也就是说，我们研究了从2070年到2099年平均的耦合和非耦合模拟之间的差异。

1 l9 b o. p+ j% s4 _

. N* k! z7 E2 W0 {* y. i

在南大洋，发现海冰减少，特别是在南极半岛和罗斯海周围，在北半球，与非耦合模拟相比，耦合模拟的年平均海冰覆盖减少了45%。

在南半球，年平均海冰覆盖率减少了36%，当大气海洋CO的时期通量是可能的，气体传输速度也会增加。

, o- }! p# Y7 r) m+ k* j

9 @7 e7 N3 N1 r" j6 F

风应力变化是气候变化的一部分，特别是在南半球，模拟了风速的增强以及风暴路径和伴随的风场向南移动，对于ECHAM5 / MPI-OM，发现当今最大纬向风应力的纬度与南大洋的系综均值非常吻合。

与集合均值相比，ECHAM2081/MPI-OM仅略微高估了2100–1981年和2005年纬向风应力的差异，这表明MPI-ESM合理地考虑了南大洋的风应力变化，这些变化应该会增强一氧化碳流入海洋。

1 h$ M: g' ]6 A. Q' v" z

我们研究侧重于与CO相关的大气，海洋界面的性质通量，深海的碳循环将在未来的研究中进行研究，从这项研究中，我们得出以下结论：海洋一氧化碳由于一氧化碳增强，摄取量持续增加排放。

+ a9 s0 x# Y, u' K5 f/ ?

海洋一氧化碳气候变化削弱了吸收率，总体上代表了与大气CO的正反馈浓度，这种反馈直到二十一世纪的最后几十年才很明显，当时其影响约占海气CO总量的10%，该数量包括海洋对大气中一氧化碳上升的反应。

由于陆地对气候变化的反应更快，这部分抵消了全球海洋的气候变化影响，我们假设基于排放量增加速度较慢于研究（IPCC SRES A2）的情景的模拟，与大气CO增加较少相关的土地反应速度较慢分压，这将有利于海洋做出更明显的反应。

海洋的正反馈主要由分压差的变化主导，与最大MLD的变化有关，并伴随着北大西洋MOC较弱和南大洋对流深度较小，溶解度效应也会导致正反馈，然而这是次要的。

8 _/ k' n4 O8 U. Z2 B5 A t

5 z* ^9 N0 h+ o, `

全球正反馈在很大程度上被风应力变化和海冰融化所补偿，后者在极地地区诱发了增强的CO2吸收，

6 ?! }, ^" e% Y+ e

这导致海洋对气候变化的反应滞后，当海冰不断融化时，这种偏移变得可以忽略不计，对气候变化的生物反应是次要的。

D! V+ g7 Y5 \; O

我们的结果表明，在未来减少一氧化碳的情况下排放，从而产生大气中的一氧化碳浓度。

& U( J4 V, R' S

甚至到目前的水平，海洋一氧化碳吸收量将比今天小，因为变化的海洋环流导致海洋CO效率降低吸收比现在。

为了更好地评估海洋碳循环对人为一氧化碳的长期响应排放，特别强调海洋对气候变化的滞后反应。

3 ?/ `( ^3 t) q* F0 J, f9 Y

我们提出了进一步的气候预测，更长的模拟时间，进一步增加一氧化碳排放，以及 旨在稳定大气一氧化碳的减少排放浓度。

5 V& q9 |/ _) J; r& U& Q4 k

3 ]) F( x: h" r# s- J$ R / {" ~* j6 l- l# q: T2 a 7 l: E6 r% z4 }0 M3 W, Z/ E