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基于GEOS-Chem模型的大气二氧化碳循环模拟研究

杨艳  
【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。


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