地球工程情景下冻土碳的响应与反馈研究

Permafrost carbon feedback is currently a hot scientific issue in climate change and carbon cycle studies. It's still uncertain how the large amount of soil organic carbon in the northern hemispheric high-latitude permafrost area affects future climate warming. Climate projections in the IPCC Fifth Assessment Report (AR5), and any emissions targets based on those projections, do not adequately account for emissions from thawing permafrost and the effects of the permafrost carbon feedback on global climate. Present studies about the contributions towards future climate warming due to the permafrost carbon feedback are mainly based on simple climate models or estimations under known climate projections. Geoengineering is a method of offsetting the global temperature rise from greenhouse gases. Climate model simulations suggest that the geoengineering could not effectively offset the amplified polar warming. As a result, it's important to know how high-latitude permafrost carbon responds under geoengineering. In this project we use an earth system model with sophisticated parameterizations of climate feedback processes. We improve its parameterization schemes of permafrost carbon feedback in order to better describe the coupling between permafrost physical processes and carbon processes. With the improved model we design numerical modeling experiments to research the response and feedback of permafrost carbon under future climate warming scenarios and geoengineering scenarios. Finally, we reveal the mechanisms that how the permafrost carbon feedback influences the effects of geoengineering on offsetting the global climate warming.

冻土碳反馈是当前气候变化和碳循环研究中的热点科学问题，北半球高纬度冻土区富含的土壤有机碳，在未来情景下如何影响气候增暖依然尚未明晰。政府间气候变化专门委员会在其第五次评估报告中对未来气候增暖的预估尚未完全考虑冻土碳反馈的影响。目前冻土碳反馈对未来气候增暖贡献的研究主要基于简单气候模式或在已知气候变化情景下进行估算。地球工程是一种人类主动减缓气候增暖的设想措施，气候系统模式模拟发现地球工程无法有效抑制高纬度的极区气候增暖放大效应，因此在地球工程下高纬度地区冻土碳如何响应与反馈是当前地球工程研究中的重要科学问题。本项目基于一个气候反馈过程描述比较完善的地球系统模式，改进冻土碳反馈过程的参数化方案，使其可以更合理的描述冻土物理过程与冻土碳过程的耦合作用，设计可区分冻土碳反馈效应的试验方案，研究冻土碳在未来气候增暖情景和地球工程情景下的响应与反馈，揭示冻土碳反馈影响地球工程减缓气候增暖的作用机制。

北半球高纬度冻土区富含的土壤有机碳，在未来气候情景下如何影响气候增暖尚未明晰。地球工程是一种减缓气候增暖的设想措施，在地球工程下北半球高纬度地区冻土碳如何响应与反馈是地球工程研究中尚未回答的重要科学问题。一些地球系统模式模拟发现地球工程无法有效抑制高纬度的气候增暖放大效应，无法有效抑制的极区增暖如何影响冻土区碳循环？地球工程能在多大程度上延缓北半球高纬度冻土退化？这些科学问题构成了本项目的立项背景。.基于上述科学问题，本项目开展了如下研究：（a）发展了多层冻土碳方案，对冻土碳储量和空间分布的模拟结果与观测资料较为一致，显著降低了通用陆面过程模式CoLM模拟北半球高纬度冻土区土壤碳的偏差；（b）研究了北半球高纬度冻土和陆地碳循环对两种地球工程的响应，发现地球工程下高纬度地区的剩余增暖放大效应对冻土区物理气候和陆地碳循环具有显著影响，地球工程可以减缓北半球高纬度冻土退化，但无法将高纬度地区冻土的物理状态和生物地球化学状态从高排放气候情景恢复至没有实施地球工程的同等辐射强迫的低排放气候情景水平；（c）基于OSCAR地球系统模型的模拟结果表明，冻土碳反馈对通过实施地球工程达到相对工业革命前2℃温升控制目标影响较小；（d）北半球高纬度地区陆地碳循环在当前地球系统模式中具有很大不确定性，从而给准确评估北半球高纬度地区在未来气候增暖情景下的响应和反馈带来挑战。.北半球高纬度地区冻土碳储量和空间分布的模拟偏差广泛存在于当前的地球系统模式和陆面过程模式中，本项目研发的多层冻土碳方案可以显著降低上述偏差，该方案可以应用于其他陆面过程模式和地球系统模式中。本项目回答了北半球高纬度冻土区在地球工程下如何响应和反馈等科学问题，为深入认识地球工程的气候影响贡献了新的科学认识。