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海洋碳循环中颗粒有机碳垂直输送的数值模拟

王凯  
【摘要】:海洋中的颗粒有机碳(POC)作为碳循环的重要组成部分,可以用来估计海洋初级生产力水平。本研究主要包括两个方面,一是通过观测资料分析海洋中POC的来源、转化及其垂直通量的季节和年际变化,二是使用中国科学院大气物理研究所的海洋生物地球化学环流模式(IAP-OBGCM)研究颗粒有机碳在海洋中的垂直输送过程。 通过对全球环流模式LICOM运行,得出一个相对稳定的环流结构,结合WOA09的温盐资料,分析了海洋环流的基本特征以及各大主要水团的形成情况。在稳态环流模式的基础上,加入氚作为被动示踪物,研究了该海洋模式的模拟性能。研究结果表明,我们的模式很好地模拟出了氚的海表分布、水柱总量、经向分布以及次表层的高值信号,主要不足在于模拟的氚向深层的穿透不够,特别在全球的两个副热带地区表现尤为明显。氚输入函数的不确定性和模式物理场描述的不足可能是造成误差的主要原因。模拟氚在等密度面上高低纬的侧向通风明显,很好地再现了氚从中高纬的海表进入,沿等密度面向低纬的次表层输送,又经大洋环流和扩散分别向南半球和高纬输送的过程。 在对北大西洋百慕大海区的颗粒有机碳通量的观测资料分析后发现:生物活动决定了海洋POC通量的大小,POC通量的大小与叶绿素a浓度呈现出明显的正相关,与浮游动物的活动呈现出较弱的正相关。POC通量受叶绿素a和浮游动物的影响,随季节的变化特征也很明显,均体现出春夏两季较高,秋冬两季较低的现象,一定程度上反映了生物活动的繁殖周期,体现了生物活动作用对POC通量的贡献。根据POC在海洋中的垂直分布特点,文中拟合了两种不同的POC矿化廓线,分别为POC矿化过程关于深度为指数函数和幂函数相结合的形式以及e指数衰减的形式,并且与其他学者提出的幂函数的形式进行了比较,不同程度上再现了POC由上层海洋逐渐向底部转移输送的过程。 使用IAP-OBGCM,根据百慕大海区的颗粒有机碳的廓线资料,分别设计了五种POC垂直通量的参数化方案,研究了颗粒有机碳的产生与转化对海洋内部碳循环的影响。模拟结果表明,模式成功地模拟了工业革命前总溶解无机碳、总碱度、磷酸盐等在海洋中的地理分布特征。从五种颗粒有机碳垂直输送的参数化方案的模拟结果看出,增加颗粒有机碳的含量可以明显地增加总无机碳在真光层以下的含量,但对磷酸盐的再分布影响不大。


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