波致混合在地球系统模拟中对海洋碳循环的影响研究

The earth system model FIO-ESM v1.0 developed by the First Institute of Oceanography, SOA, is the first try to incoporate a wave model into the climate system model through adding the wave-induced mixing in the ocean veritcal mixing.The simulation of the mixed layer depth and the structrue of temperature and salinity in the upper ocean can be well improved, which would affect the ocean biogeochemical processes. on the other hand, the wave-induced mixing will directly influence the veritcal structure of the biogeochemical variables, thus the ocean carbon cycle and the air-sea carbon flux. As the results from previous works, there are great uncertainty in the simulation of ocean carbon cycle and the global carbon cycle which is much dependent on the simulation of the physical processes. Therefore, the simulation of ocean carbon cycle will be improved and the uncertainty will be reduced by including the wave-induced mixing in the earth system model.Studying the effect of wave-induced mixing to the ocean carbon cycle in the earth system model is important for improving the simulation of carbon cycle. In this work, we are trying to give out this effect and its mechanism by the reasonable numerical experiments.

FIO-ESM v1.0地球系统模式，由国家海洋局第一海洋研究所发展，是首个耦合海浪模式的地球系统模式。FIO-ESM v1.0通过波致混合作用将海浪模式引入气候系统模式中，有效地提高了模式中海洋混合层、上层温盐结构等物理过程的模拟能力，而这些物理过程会直接影响到海洋生物地球化学过程；另一方面波致混合作用能够直接作用于生物地球化学变量的垂向结构，直接影响海洋碳循环过程及海-气交换通量等。已有研究结果表明，海洋碳循环乃至全球碳循环的数值模拟存在很大的不确定性并显著依赖于物理过程的模拟能力。因而，波致混合对物理过程的改善也必将会减少海洋碳循环模拟的不确定性，提高模拟性能；研究波致混合在地球系统中对海洋碳循环模拟的影响对提高全球碳循环模拟具有重要意义。本项目将基于FIO-ESM v1.0地球系统模式，通过合理的数值实验设计，给出波致混合对地球系统模式中海洋碳循环的影响及影响途径。

发生在海气界面的小尺度海浪过程对气候系统模式具有重要意义，FIO-ESM是目前世界上唯一一个耦合海浪模式的地球系统模式。本项目完善了FIO-ESM全球碳循环模式中的海洋碳循环过程，对FIO-ESM全球碳循环的模拟结果进行了综合评估。基于FIO-ESM全球碳循环的CMIP5工业革命前和历史实验设计了两组敏感性实验，每组敏感性实验包括三个对比实验。工业革命前的敏感性实验结果表明，在自然气候条件下，波致混合使大气CO2浓度降低了3.58ppm、海洋碳吸收减少1.12PgC、陆地碳吸收增大8.77PgC。历史时期的敏感性实验结果表明，在存在人为碳排放情况下，波致混合使大气CO2浓度降低了2.98ppm、海洋碳吸收减少1.13PgC、陆地碳吸收增大了7.44PgC。无论有、无人为碳排放，波致混合在地球系统模拟中都会使大气中CO2浓度降低、海洋碳吸收减小、陆地碳吸收增大；对大气CO2浓度的影响约为历史时期CO2浓度增长的3%。数值模拟结果还表明，波致混合主要通过温盐等物理变量的作用影响全球气候变化进而影响全球碳循环。