太平洋显式生态系统碳循环模式的发展及应用

在现有的环流模式基础上构建一个太平洋环流模式，对该模式的物理场模拟能力进行评估，并使用被动示踪物对其进行进一步检验。将现有的海洋生态系统模块和碳循环模式进一步发展并耦合至上述经过检验的环流模式中，建成一个含显式生态系统的太平洋环流碳循环模式,模拟研究太平洋生产力、生物量和二氧化碳体系的季节变化和年际变化，估计"生物泵"在输送总二氧化碳中的作用。诊断分析某些特定区域的物理、化学和生物过程对碳循环及生产力的相对贡献，阐明海洋生态系统在碳循环中的作用。探讨赤道地区及南大洋等其它地区表层水的生物量和二氧化碳与气候现象和气候事件的关系，为揭示太平洋碳循环对全球变化的响应打下坚实的基础。本项目研究不仅可提高估计太平洋吸收人为二氧化碳的能力，而且可为认识全球碳循环的碳收支这一国际热点问题提供一些新的依据。

目前国际上大尺度的海洋碳循环模式的一个重要的研究趋势是发展带显式生态系统的模式。我国在过去大尺度海洋碳循环模式研究中，发展了简单的生物地球化学模式，但带显式生态的模式至今还未见报道。本项目试图发展海洋生态系统模块，建成一个含显式生态系统的太平洋环流碳循环模式, 用于研究太平洋生态系统和碳循环的时空变化，及它们对气候变化的响应。主要进展包括以下几个方面：.稳态物理场及被动示踪物氚模拟结果表明，太平洋海盆模式较成功地再现了大尺度的环流和各大主要水团特征，再现了海盆内部层结特征。模拟的氚具有明显的南北差异及东西边界差异，侧向通风特征明显，模拟特征基本符合观测事实。.基本设计包括营养盐、浮游植物、浮游动物和有机碎屑的生态模式NPZD能模拟出观测到的叶绿素、浮游动物等生态量的基本特征，但副热带初级生产偏低。敏感试验显示碎屑下沉速率、浮游动物代谢率可调节副热带生产率。将NPZD的营养盐细化为铵盐与硝酸盐，并引入溶解有机氮（DON），建立了6变量的N2PZD模式。DON的引入对副热带低生产区有改进，但不及调节碎屑矿化率等参数的效果明显。考虑混合层过程对真光层生态的影响可消除Papa站位置的叶绿素廓线偏差，在改进营养盐约束边界后可削弱50°N处的春季水华提前现象，并使海表叶绿素双峰特征更加明显。.碳生化模式及2个带显式生态系统的碳循环模式均成功再现了太平洋中工业革命前碳循环的主要特征，海表总溶解无机碳分布特征与观测结果吻合较好。三个不同模式得到了相似的海气碳通量分布，赤道太平洋与南大洋对流混合区均为强的大气CO2源区，副热带太平洋为汇区，这与前人基于反演模式得到的结果是一致的。.海盆总NPP与SST间存在反相关特征，纬向风应力等环境因素在70年代的转变使得生态量发生了调整，导致赤道高生产区面积减小，模式能模拟出强El Nino事件时叶绿素消退特征。赤道海区海气碳通量出现了显著的年际变化，最强的正年际波动出现在1997年，而最强的负年际波动出现在1999年。DIC与SST第一主成份之间存在显著的负相关（R=-0.85），而与海气碳通量相关系数高达0.92，说明赤道海区DIC的年际波动对海气碳通量的影响更为重要。.本项目建成的带显式生态系统的太平洋碳循环模式的研究平台为今后进一步发展该类模式打下良好的基础，所得结果可为今后的研究提供有益的科学参考。