基于GEOS-Chem模型的大气二氧化碳循环模拟研究
【摘要】：
多尺度的大气输送模型是碳循环研究中一种有效的研究方法,这对于理解自然生态系统的碳循环规律,预测未来气候变化具有重要意义。本文采用由上而下的方法,利用世界先进的大气输送模型(GEOS-Chem(v8-02-01)),对大气二氧化碳循环进行了模拟研究,主要内容:
本文采用GEOS-5正演模型,利用ORCHIDEE模型建立基础函数,并在GLOBALVIEW-CO2(2009年)中109个站点的大气二氧化碳浓度观测数据的基础上,运用贝叶斯定理和集合卡尔曼滤波两种方法估算2003年～2006年全球22个地区的二氧化碳通量,然后比较分析各地区在此期间的二氧化碳通量的变化。结果表明:2003年～2006年,大部分陆地地区大气二氧化碳通量逐年增加,且每个地区的增幅不同;其中欧亚温带区增幅最大,其次是亚洲热带区和欧洲地区,北美温带区在2006年略有下降,北美寒带区、南非地区和海洋地区基本没有明显变化。但是,模型模拟22个地区大气二氧化碳通量全部为正值或零,即全部是碳源或自身保持平衡,这表明部分地区的大气二氧化碳通量模拟结果偏高。
本文采用贝叶斯定理与集合卡尔曼滤波两种方法计算的大气二氧化碳通量值与预测值基本一致,且两种方法的后验值协方差值很小。2003年～2006年,将109个观测站每年的2月～12月的模型预测值与实际观测值逐一进行相关性分析,置信度为99%时,71.56%的观测站相关性显著;置信度为95%时,77.98%的观测站相关性显著,进一步验证了模型的可靠性。
本文采用局部定性的敏感度分析方法,研究实际观测误差、模型误差、先验值误差以及陆地地区先验值的变化对GEOS-Chem模型计算结果的影响。结果表明:GEOS-Chem模型对实际观测误差和模型误差不敏感,对陆地地区先验值敏感。随着先验值误差的增大,模型对其敏感度增大。先验值误差小于5亿吨碳/年时,模型对其敏感性不明显;先验值误差大于或等于10亿吨碳/年时,模型对其敏感度明显增大。
此外,本文又对大气二氧化碳浓度与温度以及能源消费总量的相关性进行研究。结果表明:大气二氧化碳浓度与温度在日、周、月以及季度等不同时间尺度的相关性显著,而与温度在年时间尺度上的相关性不显著;大气二氧化碳浓度与能源消费总量呈现显著正相关性。下一步将对更小时间尺度上的大气二氧化碳浓度与温度的相关性进行研究,进一步研究大气二氧化碳浓度与大气温度的关系。
【关键词】：GEOS-Chem模型 反演法 大气二氧化碳通量 大气二氧化碳浓度 【学位授予单位】：中国地质大学（北京）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：P402
【目录】：
- 中文摘要5-6
- Abstract6-10
- 第1章 引言10-19
- 1.1 选题背景与项目依托10-12
- 1.1.1 选题背景10-12
- 1.1.2 项目依托12
- 1.2 研究现状及研究意义12-15
- 1.2.1 研究现状12-15
- 1.2.2 研究意义15
- 1.3 研究内容及研究方法15-17
- 1.3.1 研究内容15-16
- 1.3.2 研究方法16-17
- 1.4 论文工作量17-19
- 第2章 全球碳循环模式研究进展19-29
- 2.1 陆地碳循环系统19-23
- 2.1.1 基本原理19-22
- 2.1.2 研究方法及发展趋势22-23
- 2.2 海洋碳循环系统23-25
- 2.2.1 基本原理23-24
- 2.2.2 海洋碳循环模型24-25
- 2.3 大气碳循环系统25-29
- 2.3.1 大气成分演化历史25-27
- 2.3.2 大气碳循环模型27-29
- 第3章 GEOS-CHEM 模型29-50
- 3.1 源程序的获得29
- 3.2 目录的建立29-41
- 3.2.1 数据目录29-31
- 3.2.2 运行目录31-41
- 3.3 文件的编译41-43
- 3.4 模型的运行43
- 3.5 模型结果的读取43-50
- 3.5.1 二氧化碳通量数据45
- 3.5.2 大气二氧化碳浓度数据45-50
- 第4章 反演法计算大气二氧化碳通量50-66
- 4.1 反演问题50-57
- 4.1.1 反演理论的数学原理50-51
- 4.1.2 反演问题解决方法51-57
- 4.2 大气二氧化碳通量57-65
- 4.2.1 模型输出值57-58
- 4.2.2 后验值58-65
- 4.3 小结65-66
- 第5章 模型可靠性与敏感度66-87
- 5.1 模型可靠性66-75
- 5.1.1 模型输出的大气二氧化碳浓度66-67
- 5.1.2 实际观测结果67-71
- 5.1.3 模型预测结果与实际观测结果的比较71-75
- 5.2 模型敏感度75-86
- 5.2.1 实际观测误差的改变75-78
- 5.2.2 模型误差的改变78-81
- 5.2.3 先验值误差的改变81-83
- 5.2.4 陆地地区先验值的改变83-86
- 5.3 小结86-87
- 第6章 中国典型地区大气二氧化碳浓度的研究87-100
- 6.1 大气二氧化碳浓度与大气温度变化的研究87-97
- 6.2 大气二氧化碳浓度与能源消费总量的研究97-99
- 6.3 小结99-100
- 第7章 结论100-101
- 致谢101-102
- 参考文献102-111
- 附录111-119
- 附图119-133
- 个人简介133
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