海洋碳循環(huán)與全球氣候變化相互反饋的研究進(jìn)展

1、 文章編號:167328411(2009 0120033204海洋碳循環(huán)與全球氣候變化相互反饋的研究進(jìn)展譚娟1, 沈新勇1, 李清泉2(11南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院, 江蘇南京210044; 21國家氣候中心, 北京100081摘要:海洋作為地球上一個主要吸收二氧化碳的匯, 儲存大量的二氧化碳。海2氣間的二氧化碳交換, 使得海洋中碳對氣候產(chǎn)生反饋作用, 從而影響著大氣中CO 2的濃度, 甚至影響到全球氣候的變化。本文主要介紹了海洋碳循環(huán)的過程, 以及海洋碳循環(huán)過程對氣候的反饋作用。關(guān)鍵詞:碳循環(huán); 氣候; 反饋中圖分類號:P 46文獻(xiàn)標(biāo)識碼:AStudy on the Feedback b

2、etween Ocean Carbon C irculationand Global Cli m ate ChangeT an Juan 1, Shen X in 2yong 1, L i Q ing 2quan2(1. N an jing U n iversity of Info r m ati on Science and T echno logy , N an jing , J 2. N ati onal C li m ate Cen ter , , Abstract :Fo r the ocean s w ere the m r ide in earth , it depo sits

3、abundan t CO 2.T 2betw atm o here influences no t on ly the CO 2concen of cli m ate . Key on ; cli m ate ; feedback收稿日期:2008212222作者簡介:譚娟(19832 , 女, 碩士研究生, 研究方向:數(shù)值模式與氣候預(yù)測。二十世紀(jì)以來, 人類面臨著一系列嚴(yán)峻的環(huán)境問題, 全球變暖引起了全球的共同關(guān)注。監(jiān)測結(jié)果顯示, 在2007年夏季氣溫最高的幾周, 北冰洋冰蓋下降到300×104km 2, 為歷史最低點。大氣二氧化碳濃度增加引起的溫室效應(yīng)是全球變暖的重要原因之一。I

4、PCC 第四次報告指出減緩氣候變化和全球升溫的任務(wù)已經(jīng)迫在眉睫。為了使人類免受氣候變暖的威脅, 京都議定書規(guī)定, 在2008年至2012年間, 工業(yè)化國家將全部溫室氣體排放量比1990年減少5%。限排的溫室氣體包括二氧化碳(CO 2 、甲烷(CH 4 、氧化亞氮(N 2O 、氫氟碳化物(H FS 、全氟化碳(PFSC 、六氟化硫(SF 6 。溫室效應(yīng)引起了各國科學(xué)家、政府首腦和國家決策者的高度重視。20世紀(jì)90年代末、21世紀(jì)初, IGB P 、I HD P 、W CR P 等國際科學(xué)組織發(fā)動和組織了全球碳循環(huán)的研究, 提出了一些科學(xué)問題, 如面對碳循環(huán)的挑戰(zhàn), 人類將會如何響應(yīng)? 國際海洋科

5、學(xué)全球變化研究方面已經(jīng)開展許多研究項目, 諸如“國際地圈生物圈計劃(IGB P ”、“海洋全球變化合作研究計劃(I M A GES ”、“過去全球變化研究(PA GES ”、“海岸帶陸海相互作用(LO I CZ ”等等。海洋在全球碳循環(huán)中起著極其重要的作用, 海洋是地球上最大的碳庫。海洋儲存碳是大氣的60倍, 是陸地生物土壤層的20倍(IPCC , 2007 ; 大約50%人為排放的碳被海洋和陸地吸收(P ren tice etal 1, 2001 。海洋與大氣交換CO 2的時間尺度在幾百年以上。從上個世紀(jì)90年代至今, 實施了大量的海洋觀測計劃?；谟^測數(shù)據(jù), 海洋學(xué)家對海洋碳循環(huán)做了大量的

6、研究。為了更好的了解海洋碳循環(huán)在全球氣候變化中的作用, 本文綜述了近年來海洋碳循環(huán)與全球氣候變化的相互反饋的研究進(jìn)展, 同時介紹了海洋碳循環(huán)過程及其模式的發(fā)展。第30卷第1期氣象研究與應(yīng)用V o l 130N o 111海洋碳循環(huán)在全球氣候變化過程中的重要作用海洋中的碳主要以溶解無機(jī)碳(D I C 、溶解有機(jī)碳(DOC 、顆粒有機(jī)碳(POC 等形式存在, 以溶解無機(jī)碳居多, 比例近似為D I C DOC POC =2000381(IPCC , 2007 。北太平洋中層的D I C 濃度在全球海洋中最高。海洋碳循環(huán)是碳在海洋中吸收、輸送及釋放的過程, 主要包括CO 2的海2氣通量交換過程、環(huán)流過

7、程、生物過程和化學(xué)過程。碳循環(huán)研究的一個主要目的就是要回答碳是如何在大氣圈、水圈和陸地生物圈之間分配和儲存的, 而海洋與大氣的CO 2交換是其中的一個重要角色。海洋碳循環(huán)可以分為三個方面。第一方面是“碳酸鹽泵”, 就是大氣中的CO 2氣體被海洋吸收, 并在海洋中以碳酸鹽的形式存在; 第二方面是“物理泵”, 即混合層發(fā)展過程和陸架上升流輸入, 它與海洋環(huán)流密切相關(guān); 第三方面是“生物泵”, 即生物凈固碳輸出, 物、, 。雖然海洋30%40%, 但是它們有很高的循環(huán)速度。浮游植物由于生活在上層海洋, 能夠直接吸收太陽輻射, 通過光合作用將CO 2轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳; 而有機(jī)碳又通過浮游動物的生命過程或其

8、他物理化學(xué)過程形成顆粒碳, 以這種形式沉積到深層海洋。顆粒有機(jī)物由于重力的作用沉降到下層海洋, 一部分被再礦化, 即顆粒碳通過真菌或細(xì)菌的分解又轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳, 進(jìn)入再循環(huán)過程; 另一部分則被沉積埋藏在深海里。生物泵向深層海洋輸送的碳大約在1012Pg a , 凈輸送為2Pg a 。如果沒有海洋生物泵的話, 大氣中二氧化碳的濃度將達(dá)到450ppm 。大氣與海洋的CO 2交換主要發(fā)生在海水表層, 海水表層儲存碳的空間是有限的, 表層海水與深層海水之間的交換是一個長期的緩慢過程, 時間尺度在幾百年到幾千年之間。浮游生物的死亡腐化, 卻可以將海洋表層100m 中的碳向深層海洋轉(zhuǎn)移, 從而減少海洋表層的

9、含碳量; 也可以讓海洋吸收大氣中CO 2的速率大大提高, 從而減少大氣中CO 2的含量, 達(dá)到輻射量能平衡。這就是海洋碳循環(huán)中生物泵的作用。許多研究者設(shè)想能否提高海洋的生產(chǎn)力,加速生物泵對大氣二氧化碳的吸收, 從而減緩全球變暖趨勢, 于是出現(xiàn)了“硅假說”、“鐵假說”。這正說明了海洋碳循環(huán)在全球氣候變化中起著無可替代的作用。目前, 國內(nèi)外的海洋碳循環(huán)研究主要是采用數(shù)值模擬的方法。通常, 海洋碳循環(huán)模式被分為箱模式、一維動力模式、二維動力模式和三維環(huán)流碳循環(huán)模式。第一個碳循環(huán)的箱式模式是C raig 在1957年建立。二十世紀(jì)七十年代起, 人們開始建立各種海洋碳循環(huán)模型。近年來, 更多模式考慮了含

10、簡單生物化學(xué)過程的碳循環(huán)和含顯式生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)。在IPCC 第一次(1990 、第二次(1995 和第三次(2001 評估報告中, 碳循環(huán)研究都采用了箱模式。箱模式比較直觀和形象, 能夠很好的解釋一些簡單的過程; 缺點是考慮不完備。因此, IPCC 第三次(2001 和第四次(2005 報告普遍使用了三。2, 溫室效應(yīng)導(dǎo)致全球變暖, 全球氣候變化對海洋碳的吸收有負(fù)效應(yīng), 甚至?xí)?dǎo)致CO 2吸收的減弱。大氣中二氧化碳增加, 有效輻射相對就會減少, 海水表面的溫度會隨之增高, 海水的穩(wěn)定度加大, 從而海洋吸收二氧化碳的能力就會減少, 大氣中二氧化碳的含量會相應(yīng)增加, 這是一種正反饋的機(jī)制。海洋中

11、的無機(jī)碳經(jīng)過化學(xué)變化使沉積物溶解, 產(chǎn)生正反饋的作用。這是由于海洋混合“瓶頸”所決定的。而硅碳的侵蝕作用是一個長時間的負(fù)反饋過程, 硅碳的侵蝕作用最大的平衡時間尺度是在100kyr 。在理想的、較暖的氣候里, 海洋環(huán)流循環(huán)和陽離子密度的增加將導(dǎo)致碳、堿、營養(yǎng)鹽以及人為CO 2海洋表面海水的補給降低, 這些人為CO 2通過狹窄“瓶頸”進(jìn)入海洋, 將對大氣溫室氣體的濃度有正反饋作用。Bopp (2001 預(yù)言, 垂直顆粒輸送減少將會使得有機(jī)顆粒碳的再礦化深度變淺, 導(dǎo)致CO 2的正反饋。長期來說, 全球氣候變化對海洋中的生物有重要的影響。大氣中二氧化碳濃度的增高會造成海洋中的硅藻光合作用增強、以及

12、浮游植物的呼吸作用下降。大氣中的二氧化碳增加一般是由于化石燃料燃燒、土地利用等排放造成的; 此外, 海洋和陸地上 的土壤、植物也是重要的原因。因此, 海洋和陸地碳循環(huán)能減緩CO 2引起的氣候變化, 但碳循環(huán)過程對氣候變化也是極其敏感的。海洋對氣候的反饋作用主要是通過三個途徑(陳泮勤等, 2004 。大氣中的水汽主要來源于海洋; 海洋擁有很大的熱容量, 海洋對溫度的變化速率起著決定性控制作用, 通過海洋內(nèi)部的環(huán)流可以重新分配整個氣候系統(tǒng)內(nèi)部的能量; 自工業(yè)革命以來, 大氣中有近乎一半的碳被海洋吸收了。暖池區(qū)(海表面溫度高于28 一旦出現(xiàn)異常西風(fēng)(或赤道東風(fēng)減弱 , 往往隨后發(fā)生厄爾尼諾現(xiàn)象, 即

13、赤道西太平洋水溫降低, 赤道中東太平洋水溫升高, 則海洋向大氣釋放潛熱, 是一個巨大的熱源, 其上的大氣對流強烈、云量多、降水亦多。Keeling 等(1989 分析了夏威夷觀測站的大氣二氧化碳觀測資料, 指出大氣中二氧化碳濃度存在明顯的自然波動, 熱帶海洋上海2氣碳通量的年際變化對其有重要影響(Feely et al 11999 。赤道附近表層海水中p (CO 2 較高, 方面原因造成(張遠(yuǎn)輝等, 2水的升溫。道太平洋CO 2。在厄爾尼諾爆發(fā)初期, 赤道太平洋中部p (CO 2 比正常年份偏低, 接近于大氣p (CO 2 值, 往后又逐漸恢復(fù)正常。對于短期氣候的異常變化, 如厄爾尼諾和南方濤

14、動(EN SO , 碳循環(huán)也有很好的響應(yīng)。很多科學(xué)家對此進(jìn)行了大量的研究。B acastow (1976 首先指出了大氣二氧化碳與厄爾尼諾-南方濤動的相關(guān)關(guān)系, 即厄爾尼諾事件發(fā)生時, 大氣二氧化碳濃度在4個選定區(qū)域增加; 拉尼娜事件發(fā)生時, 情況恰好相反。海洋碳循環(huán)對EN SO 的響應(yīng)大約為±0151ppm v 。Feely et al 1(1995, 1997, 1999, 2002, 2004, 2006 、T akahash i et al 1(2003 、M ck in leyet al 1(2004 等人指出赤道太平洋海氣碳通量由于受到EN SO 的影響, 存在著年際以及

15、年代際變化。Jones (2001 用一個耦合的氣候碳循環(huán)模式同樣研究了碳循環(huán)對EN SO 的響應(yīng)。在海表面溫度高于28的暖池區(qū), 海水對大氣CO 2的吸收能力較強(孟繁莉等, 2002 , 也會引起振幅較大的大氣變化, 從而影響長期氣候變化。氣候模式是研究碳循環(huán)對氣候的反饋的一種很重要的途徑。海洋碳循環(huán)模式比較計劃第三個階段的重點工作就是碳循環(huán)對氣候的反饋。目前, 國際上利用海洋碳模式對未來的CO 2和氣候變化情景的響應(yīng)做了一些工作(M aier 2rei m er et al . , 1996; Sar m ien to et al. , 1998; Joo s et al . , 199

16、9; M atear et al. , 1999等 。為了研究全球氣候?qū)Ｑ筇佳h(huán)的響應(yīng)機(jī)制, T akahash i 和Feely 等人(2003 分析了海氣碳通量自然變化的物理過程和生化過程;M cGills et al. (2004 和W etzel et al . (2005 模擬了海-氣碳通量對氣候變化和響應(yīng)。IPCC 第四次評估報告中的11種碳循環(huán)模式的預(yù)測均表明, 人為排放的總CO 2微粒仍將增加, 氣候的變化趨勢將超過陸地和海洋吸收人為CO 2微粒, 人為排放的總CO 2將在21世紀(jì)對氣候產(chǎn)生正的反饋作用; CO 2反饋量大約在4到44%之間(標(biāo)準(zhǔn)偏差為18+11% ; 預(yù)計到

17、2100年, CO 2濃度對氣候變化的影響是20224ppm 。與IPCC 報告一致, -氣候模式比較計劃(C 4M IP -(CO 2的變11到12001年(, 2濃度隨氣候的變化為20ppm , 平均為87ppm ; 而海洋對CO 2的儲存量大約為019111Gtc ppm -1。3海洋碳循環(huán)與氣候變化的相互反饋研究中存在的一些不確定性海洋碳循環(huán)與氣候變化的相互反饋是一個長期的過程, 需要一個很長的周期。為了預(yù)測以后海洋碳循環(huán)對氣候變化的作用, 對于古氣候碳循環(huán)的研究也就顯得尤為重要了, 同時也存在著很多的不確定性。海洋生物碳循環(huán)的總的反應(yīng)(包括一些過程如營養(yǎng)鹽的循環(huán)向生態(tài)系統(tǒng)的變化包括菌

18、類和一些微生物的角色 加熱和充滿CO 2世界。無論是對于個別有機(jī)體的生物學(xué)還是對于整個生態(tài)系統(tǒng)機(jī)能來說, 一些小的反饋機(jī)制可能是重要的因素。IPCC 第四次報告指出:海洋生物區(qū)對酸性離子的響應(yīng)并不是很清晰, 至今依然不是很清楚; 海洋碳循環(huán)存在著一些不確定性, 海洋循環(huán)未來的變化和陽離子密度仍然非常不確定。海洋作為一個很大的存儲碳的容器, 至今很多反饋機(jī)制仍然不是很清楚, 需要深入研究其物理過程, 找出內(nèi)在的原因。國內(nèi)外對海洋碳循環(huán)模式的研究取得了不少的進(jìn)展, 但是至今模式間的差異還很大, 尤其對海洋生物化學(xué)過程的模擬。這是由于海洋是一個復(fù)雜的 系統(tǒng), 海洋里動力過程和生物過程都較為復(fù)雜, 現(xiàn)

19、在的模式對于一些復(fù)雜的生物化學(xué)過程都不能很好的再現(xiàn)。此外, 由于缺乏深海的觀測資料, 而且觀測資料區(qū)域性比較強, 示蹤物的混合也有很大的不確定性。Doney 等(2004 指出, 模式間在生物過程的差異有25%40%都是來自海洋環(huán)流模式, 因此海洋環(huán)流模式也是在模擬中不可忽略的。IPCC 第四次報告(IPCC , 2007 對11種碳循環(huán)模式進(jìn)行了比較, 結(jié)果顯示, 目前氣候變化與碳循環(huán)相互作用的研究結(jié)果存在著比較大的差異, 還有很多的不確定性。雖然所有模式都產(chǎn)生了正反饋機(jī)制, 其反饋指數(shù)卻是不同的, 從014變化到114。Cox 等(2000 則指出, 21世紀(jì), 海洋仍然是人為排放碳的匯。

20、海洋碳循環(huán)模式存在不確定性, 促使我們更好的研究海洋碳循環(huán)模式, 不斷的改進(jìn)參數(shù), 加強對氣候系統(tǒng)及其各種循環(huán)和反饋過程的理解。4研究展望海洋碳循環(huán)作為全球碳循環(huán)的重要一部分不是獨立存在的, 分的關(guān)系, , 升, 現(xiàn), 化的影響。而目前對于海洋碳循環(huán)的研究也漸漸形成了一個完整的體系, 無論是從模式模擬方面, 還是在觀測方面都已經(jīng)取得了很好的發(fā)展, 而未來對于海洋碳循環(huán)對于氣候變化的影響的研究應(yīng)特別注重以下幾方面:(1 對于海洋碳循環(huán)的模擬研究, 應(yīng)該更加完備, 考慮的要素應(yīng)該不僅僅局限于一些較顯著的示蹤物, 而應(yīng)該更加真實的還原碳在海洋中的循環(huán)過程, 特別是對于生物泵的研究; (2 對于一些海

21、洋區(qū)域存在特殊氣候, 如厄爾尼諾, 拉爾尼娜現(xiàn)象時, 海洋碳循環(huán)的研究, 以及其對于氣候的反饋作用; (3 加強海洋觀測資料的采集, 對于海洋碳循環(huán)的研究將會奠定很好的基礎(chǔ)。(4 加強對于陸架邊緣海碳循環(huán)的研究, 這是由于海洋碳源匯是變化的, 有相當(dāng)?shù)牟淮_定性, 而這在陸架邊緣尤為明顯; (5 加強對深海碳循環(huán)的研究, 由于技術(shù)的限制, 對于深海微光層的碳循環(huán)過程, 還了解甚少。參考文獻(xiàn):1陳泮勤, 黃耀, 于貴瑞, 等. 地球系統(tǒng)碳循環(huán)M . 北京:科學(xué)出版社, 20042陳宜瑜. 1999. 中國全球變化研究方向J . 地球科學(xué)進(jìn)展, 14(4 :31923233丁一匯, 耿全震. 大氣、

22、海洋、人類活動與氣候變暖J .氣象, 1998, 24(3 :122174董調(diào)玲, 王明星, 劉瑞芝. 二維的大氣CO 2222大西洋碳循環(huán)模式J . 大氣科學(xué), 1994, 18(5 :63126395浦一芬, 王明星. 海洋碳循環(huán)模式( 個包括海洋動力學(xué)環(huán)流、化學(xué)過程和生物過程的二維碳循環(huán)模式的建立J . 氣候與環(huán)境研究, 2000, 5(2 :12921406浦一芬, 王明星. 海洋碳循環(huán)模式( 對印度洋的模擬結(jié)果分析J . 氣候與環(huán)境研究, 2001, 6(1 :672767石廣玉, 郭建東. 全球二氧化碳循環(huán)的一維模式研究J .大氣科學(xué), 199721(4 , 41324258王傳武. 氣候系統(tǒng)中的反饋機(jī)制與氣候的穩(wěn)定性J . 臨沂師專學(xué)報, 1998, 20(3 :392419形如楠, 王彰貴. 熱帶太平洋表面水中CO 2對E l N ino 事件響應(yīng)的數(shù)值模擬J . 氣象學(xué)報. 2001, 59(3 :308231710徐永福. 一個三位全球海洋碳循環(huán)模式J . 大氣科學(xué),1995, 24(3 :3332