二氧化碳排放和气候变化对海洋碳循环影响的模拟研究

The global ocean is a large sink of atmospheric CO2, absorbing about one quarter of anthropogenic CO2 emission each year. CO2-induced climate change, via impacting physical, chemical, and biological properties of the ocean, modifying the ocean carbon cycle and air-sea exchange of CO2. Therefore, atmospheric CO2, the ocean carbon cycle, and climate change form a feedback loop. This project aims to investigate the response of key processes in the ocean carbon cycle, including carbonate chemistry, ocean CO2 transport, biological pump, nutrient distribution, and CaCO3 cycle, to changes in climate variables such as ocean temperature, seawater pH, ocean stratification, and thermohaline circulation. This project will focus on the underlying physical, chemical, and biological mechanisms of the feedbacks between the ocean carbon cycle and climate change. This project also aims to examine response of ocean's CO2 uptake under various CO2 emission scenarios and geoengieering scenarios including idealized CO2 removal and solar radiation management schemes. This projects has important implication for projection of atmospheric CO2 and climate change.

海洋作为巨大的碳汇，每年吸收大约四分之一的人为CO2排放。大气CO2浓度变化引起全球气候变化。气候变化通过改变海洋的物理、化学和生物性质影响海洋碳循环，从而进一步影响海气CO2交换和海洋对大气CO2的吸收。 因此，海洋碳循环、大气CO2、气候变化之间组成一个反馈系统。本项目拟通过地球系统模式模拟，分析海洋碳循环中的几个关键过程，包括碳酸盐化学、CO2在海洋中的输送、生物泵过程、营养盐分布、与CaCO3循环对海洋温度、海水pH、海洋层结性、和温盐环流等海洋气候变化的响应；量化这些响应对海洋碳循环和海气CO2交换的影响，揭示其中的机理。分析在不同CO2排放情景（包括强排放情景与大规模减排情景）与理想化地球工程情景下（包括CO2移除和太阳辐射管理），海洋碳循环不同关键过程的反馈机理与海洋吸收大气CO2能力的演变。本项目拟进行的研究对预测未来大气CO2浓度和气候变化有着重要的意义。

人类活动通过化石燃料燃烧和土地利用持续向大气排放二氧化碳。大气CO2浓度的增加是造成全球变暖的主要原因。海洋是一个巨大的碳库，对于吸收大气CO2和调节全球变暖起着重要的作用。大气CO2浓度增加，一方面通过生物化学作用直接影响海洋碳循环，另一方面通过辐射作用造成的温度、洋流等变化影响大气吸收CO2的能力。本项目通过地球系统模式模拟，从不同方面分析了在大气CO2浓度增加和不同气候变化情景下，海洋碳循环的时空演变特征和其中的关键物理和生物化学过程。取得主要成果如下：..首先，揭示了温度增加通过不同路径对海洋碳汇的作用机制，量化了温度变化造成的CO2溶解度，海洋洋流、海洋生物过程变化对海洋吸收大气CO2能力的不同影响；其次，揭示了海洋酸化、海洋碳酸钙循环、海洋碳汇之间的反馈作用和机制；再次，揭示了太阳辐射干预地球工程措施对海洋碳循环、海洋碳汇、海洋酸化的作用和其中的物理和生物化学机制。本项目的研究，从不同角度揭示了大气CO2-气候变化-海洋碳循环-海洋酸化之间的相互作用和反馈，深化了我们对大气CO2和气候变化影响海洋碳循环的机制理解，同时为更好的预估未来海洋碳汇的时空演变提供了理论基础。..根据以上研究成果，项目执行期间，在Journal of Geophysical Research, Geophysical Research Letters, Science China Earth Sciences, Geoscientific Model Development 等期刊发表和本项目直接相关第一或通讯作者论文7篇，培养1名硕士研究生和2名博士研究生，达到项目的预期目标。