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研究发现地球系统模式模拟热带太平洋海气二氧化碳通量年际变率偏差的原因

  近年来,国际上许多气候模拟中心开始在其气候系统模式中引入海洋生物地球化学模块,构建地球系统模式,从而在气候变化模拟中更好地反映海洋碳循环与气候的反馈作用。但是生物地球化学过程与物理过程的耦合存在复杂的非线性关系,因此,在利用地球系统模式预估未来气候变化前有必要评估地球系统模式对海洋碳循环的模拟效果。海气CO2通量的年际变率同时受海洋物理过程和生物化学过程影响,是评估地球系统模式中碳循环与气候相互作用的有效指标。

  近期中科院大气物理所的研究人员系统评估了第五次耦合模式比较计划(CMIP5)中地球系统模式模拟的热带太平洋海气CO2通量的年际变率。研究表明,14个地球系统模式均能合理再现观测中厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)对热带太平洋海气CO2通量年际变率的主导作用,但部分模式难以再现观测中El Nino期间赤道中太平洋的海气CO2通量的负异常(向上为正)特征,其中HadGEM2-ES和MPI-ESM-LR甚至表现出与观测明显相反的正异常(图1)。由于这些模式均能较好模拟ENSO本身的年际变率特征,那么如何理解显著的海气CO2通量模拟偏差呢?

  El Nino期间中东太平洋海温变暖,并伴随海水上翻减弱,但两者对海气CO2通量的作用相反。前者通过降低溶解度、影响碳酸盐的化学平衡等过程导致海水CO2分压增加,从而增加了海气CO2通量(向大气排放),而后者减少了从深层到达海表的高碳海水(溶解无机碳浓度随深度增加而增大),减弱了海水CO2分压,因此降低了海气CO2通量(从大气吸收)。观测中两者作用存在微妙的平衡,最终结果由后者主导。通过将影响海气CO2通量的各因子进行分解发现,偏差较大的模式普遍低估了海水上翻减弱对海气CO2通量的影响。如果热带太平洋海水上翻减弱的位置偏西、强度偏小或者溶解无机碳浓度的气候态垂直梯度偏弱,都会低估El Nino期间海气CO2通量的负异常(图2)。这一研究表明物理海洋过程和生物化学过程对地球系统模式中海气CO2通量年际变率的模拟有同等重要的作用。相关研究成果以“CMIP5地球系统模型能否重现热带太平洋海气二氧化碳通量的年际变化?”(Can CMIP5 Earth System Models Reproduce the Interannual Variability of Air–Sea CO2 Fluxes over the Tropical Pacific Ocean?)为题发表在《气候杂志》(Journal of Climate)。

  图1 1982-2005热带太平洋区域冬季(DJF)海气CO2通量第一主导模态(EOF1)的空间分布。百分比为EOF1的解释方差。数据经过8年高通滤波。BNU-ESM、HadGEM-ES和MPI-ESM-LR与观测的海温异常几乎相反。

  图2 横坐标为热带太平洋区域(160°E–120°W)200m以上的海水垂直速度(单位:10-3m s-1),纵坐标为气候态的溶解无机碳(DIC)的垂直梯度(单位:mmol m-3 m-1),为100m以上和100-200m的DIC浓度之差。途中圆圈中给出了两者的乘积的数值,同时表示为颜色的深浅。乘积反映了El Nino期间海表DIC浓度的变化,从而影响海水CO2分压和海气CO2通量

  延伸阅读:http://www.iap.cas.cn/xwzx/zhxw/201904/t20190408_5271547.html(吴灿选编)

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