快速融冰背景下北冰洋夏季表层海水CO_2分压的变异假设

近几年来,夏季北冰洋融冰出现明显加快的态势.融冰过程引起了表层海水CO_2浓度的变化,在2008年中国国家北极科学考察(CHINARE)航次通过深入到88°N的北冰洋中心区的170°W断面观测,发现表层海水中CO_2在冰覆盖下,融冰区和融冰后开阔水域等不同状况下出现了明显的变异性.针对所观测到的表层海水二氧化碳分压(pCO_2)变异性现象,我们提出了北冰洋快速融冰情景下的表层海水pCO_2变异的"低-低-高"假设,即海冰覆盖下的海水是"低"p CO_2,刚融冰的海水是"低"pCO_2,而融冰后的开阔海水会出现"高"pCO_2.出现这种"低-低-高"pCO_2变异现象是由不同驱动过程引起的.冰覆盖下海水低pCO_2,控制因素可能是水体受到不同水团的混合过程、温度变化、冰-水CO_2交换和生物冰藻微吸收CO_2过程控制,其主要诱因还需要进一步探索;现场观测表明刚融冰时海水的低pCO_2主控因素可能是生物的CO_2吸收,以及CaCO3溶解共同作用;而融冰后开阔海水的高CO_2已被论证为由于大气中CO_2快速进入海水和水体增温引起的.     

微生物碳泵理论揭开深海碳库跨世纪之谜的面纱

<正>深海碳库成因之谜气候变化是当今最大的全球性环境问题。人类活动导致大气二氧化碳(CO_2)持续升高是加剧气候变化的主因。海洋是地球上最大的碳库,吸收了工业革命以来人类活动排放CO_2的三分之一,是全球气候变化的"调节器"。海洋碳库调节气候变化的主要组分是溶解在水里的有机碳(DOC)。一方面,海洋DOC总碳量与大气碳库相近,     

海水变酸危及珊瑚

大气层内积聚的CO_2导致了海洋酸化,这预示着未来50年内将有大约50%的珊瑚面临死亡威胁。全球海水正在变酸科学家研究指出,海水变酸是一个自然发生的漫长过程。海洋原本是碱性的,但海水与CO_2的相互反应则会促使它的酸性成分升高。海洋吸收CO_2可以缓解温室效应对人类产生的影响,这原本是一件对人类有利的事情。但是,海水的酸度长期增加,将威胁到海洋生物的生存,破坏海洋生态环境。近年对海水的监测结果表明,自工业革命以来200年间排放到大气中的CO_2,有近50%溶解到了海洋     

北极快速变化对北冰洋碳汇机制和过程的影响

北冰洋是全球海洋碳循环研究的关键地区之一,其独特的地理位置决定了它是开展海陆统筹研究碳汇的一个绝佳的场所:地形相对封闭,边缘有世界上最大的陆架区,外围有广袤的陆地冻土层和大河输入.近年来,由于全球变暖、海冰消退、北极快速变化所引起的一系列大气、冰雪、海洋、陆地和生物等多圈层相互作用过程的改变,已经对北极地区碳的源、汇效应产生了深刻影响.这种变化不仅体现在由于陆地冻土圈变化所引起的甲烷和二氧化碳释放,而且,随之而来的海水层化、混合和环流变化,陆源有机碳和营养物质入海通量的增加,改变了海洋二氧化碳"物理泵"、"生物泵"和"微型生物碳泵"作用的强度、方式,以及海洋原有的海洋碳储库构成,很可能会对全球海陆碳源汇格局产生重要影响.本文主要从北极快速变化所引起的海洋生物泵过程和陆地碳输入的变化来讨论全球变暖对沉积碳埋藏的影响.     

碳循环对气候变化历史责任归因的影响

全球碳循环是气候变化的根本问题,其长期演变决定了人类导致的气候变化的速度和程度,也决定了稳定大气CO2浓度的减缓政策的制定和减排技术的施行.本研究利用2个参与了第5次耦合模式比较计划的耦合了碳循环过程的地球系统模式CESM和BNU-ESM,模拟研究了工业革命以来碳循环对气候变化历史责任归因的影响.模拟结果表明,以大气CO2浓度的升高为衡量指标,相比通常研究中以累积排放量为指标,发达国家碳排放的历史责任减小了6%~10%,发展中国家增大了6%~10%.这是由于历史时期(1850~2005年)发达国家占主导的工业碳排放对这一时期海洋和陆地固碳量的增加贡献了61%~68%和61%~64%,而发展中国家贡献了32%~39%和36%~39%.因此发达国家排放情景下,相对较大的全球碳汇固碳量减小了发达国家碳排放的历史责任,但也由于海洋吸收了更多的碳,使得发达国家对全球海洋的酸化负主要责任(68%).而且发达国家的高排放降低了全球碳汇的固碳效率,可能影响未来长期的固碳量,加剧全球增暖的程度.因此未来在制定减排方案时,需要进一步考虑到碳循环过程对减排方案的响应和影响.     

北极的冰是否会减少?

温室气体的增加预示着高纬度的全球性变暧对北冰洋的冰会产生举足轻重的影响。冰的融化使其厚度及面积减少,冰川间隙加大。有关资料多是潜艇在冰下通过声纳测得的,它们还不足以能证实冰的大面积变薄,要想确定其具体趋势则需要更多的资料。海水与冰的复杂混合使得北冰洋成为全球气候系统的一个重要组成部分。海冰的地理分布及厚度决定着北冰洋与大气的热量、温度和动量交换。气候模式假定大气中CO_2增加会引起极地海冰的明显变化,它反过来又影响海气的相互作用,并对北半球气     

喜马拉雅山脉和藏南高原:大气CO_2的储藏地

正对全球气候变化施以重大影响的喜马拉雅山脉和青藏高原,在全球碳循环过程中究竟扮演何种角色?它究竟是向大气排放CO_2的"碳源",还是大量吸收大气CO_2的"碳汇"?当前一种主流观点认为:大气二氧化碳(CO_2)浓度的快速增加会产生温室效应,给人类的生存与发展带来极为严重的负面影响。一些影视作品,如《后天》、《2012》等以艺术形式将此观点进一步发扬光大,"全球变化"因此成为现代社会一个颇受关注的"热点"议题。深入认识地球历史时期大气圈CO_2浓度及其变化规律,无疑是理解现今大气圈CO_2浓度及其未来变化规律     

北冰洋: 生物生产力的“沙漠”?

利用14C吸收法、3H吸收法、234Th/238U不平衡法和210Pbex测年法分别测定了北冰洋的初级生产力、细菌生产力、颗粒有机碳输出通量及沉积物有机碳埋藏速率. 结果表明, 北冰洋水柱积分生产力介于3.8~197.1 mmol C/m2@d, 高于早期的报道值, 其中楚克奇陆架区初级生产力水平高于深海盆地. 积分细菌生产力与初级生产力的比值大于0.5, 表明在北冰洋寒冷的水体中细菌活动并未受到明显限制. 由234Th/238U不平衡获得的234Th亏损程度、溶解态与颗粒态234Th停留时间、颗粒有机碳的输出通量均证实, 北冰洋深海盆地仍存在一定的颗粒清除、迁出作用. 夏季期间楚克奇陆架沉积物有机碳埋藏速率为25~35 mmol C/m2@d, 占水柱初级生产力的59%~82%, 表明有机碳的输送与埋藏是非常高效的. 上述证据均表明, 至少在夏季期间, 北冰洋并非生物生产力极其贫瘠的海洋"沙漠", 它存在相对活跃的海洋碳循环过程, 重新评估北冰洋在全球碳循环中的作用显得更为重要.     

气候变化耦合海洋污染的生态毒理学研究进展

工业化以来,海洋污染已成为全球性环境问题;CO_2浓度持续增加下,气候变化也给海洋环境带来了显著改变.目前,大量的研究集中在气候变化或者环境污染各自单独对海洋生物及生态系统的影响,并已取得一些广泛认可的结论.然而,现实环境中,生物实际处在气候变化与海洋污染的双重胁迫下,生物与生态系统受到的影响极有可能更加复杂和严峻.因此,气候变化耦合海洋污染的生态毒理学研究越来越受到关注.本文在概述气候变化与海洋污染的基础上,总结了气候变化下海洋环境的改变,特别是海水升温、酸化、低氧等对典型海洋污染物如重金属和持久性有机污染物(persistent organic pollutants,POPs)等的生物毒性的影响,分析了气候变化与海洋污染的交互作用,提出当前研究所面临的问题并展望未来的研究前景,为准确评估全球气候变化下的海洋生态风险以及促进我国全球气候变化应对提供基础.     

人为排放所引起大气CO_2浓度变化的卫星遥感观测评估

人为排放是引起大气CO_2浓度升高的主要原因,由大气CO_2卫星遥感观测获取全球和区域大气CO_2浓度的变化已被认为是评估区域人为排放的有效手段之一.为了深入定量分析区域人为碳排放对大气CO_2浓度变化的贡献,本研究利用由温室气体观测卫星(GOSAT)获取的近5年(2010~2014年)大气CO_2柱浓度数据,以同纬度带高人为排放区域的中国京津冀和美国东部城市密集区为研究对象区,结合位温气象数据和人为碳排放清单数据圈定出对比背景区,通过分析比较人为排放区与背景区的CO_2浓度差值,评估人为排放对大气CO_2浓度增量变化的影响.分析结果显示,近5年中国京津冀和美国东部城市密集区的大气CO_2浓度比背景区分别显示平均1.8和2.0 ppm的升高;且冬季均高于其他季节,分别为2.4±0.6和2.8±0.8 ppm.进一步分析月变化特征时发现中国京津冀地区2014年11月亚太经合组织会议(APEC)期间大气CO_2浓度异常低于前期3.2 ppm,反映了会议期间政府实施的减排控制效果.论文研究结果表明CO_2卫星观测能够从区域大气CO_2浓度的变化定量评估人为排放的影响,作为有效手段之一辅助于区域人为排放控制效果的评估.     

工业革命以来大气CO_2浓度不断增加的树轮稳定碳同位素证据

树轮稳定碳同位素研究已被广泛用于探讨古气侯波动、大气圈过去CO_2水平,以及全球碳循环.我国对这一领域的研究几乎还是一个空白.本文对采自我国黄土高原上的两棵油松年轮进行了δ~(13)C分析,探讨了工业革命以来大气CO_2碳同位素组成的变化对树轮δ~(13)C的影响.     

如何控制全球变暖?

把一种可控制的办法用于大气粒子中,来改变低层云的化学性质,以此来抑制或消弱全球变暖,是定量可行的吗?云体覆盖面积(或云量)微小变化的结果,类似于随着大气中CO_2浓度的增加大气对长波吸收增加的一样,可引起大气温度几摄氏度的变化,这个结果与目前计算的相一致.如今,人们认为气候变暖是由于大气中CO_2含量成倍增加而引起的.云体覆盖面积(C),液态水滴的移动路径(L),以及云体液滴相当半径(r)的相对微小变化可以导致气候的变化.据预测,当云体覆盖面积(C)增加15～20%,液态水滴移动路径(L)增加20～35%以及云体液滴相当半径(r)减小     

早古生代海洋缺氧事件的地质记录与背景机制

早古生代大气氧气含量呈现阶段性上升趋势,在志留纪达到并维持在现代水平(21%),但此期间海洋发生多期次的缺氧事件.尽管这些缺氧事件在规模上无法与中生代的大洋缺氧事件相比,但作为地球系统变化中重要的一环,却对早期海洋生态系统的演化具有重要意义.海洋系统变化研究表明,缺氧事件在形成过程中主要受控于海洋水体循环、营养盐供应、地理地貌条件、气候与海平面变化等因素.不同于中生代的大洋缺氧事件,早古生代海洋生物泵效率增强时,同时还面临大气氧气含量上限变化的影响.衍生于现代缺氧沉积盆地和前寒武纪缺氧海洋模型的水体化学分层理念,对早古生代海洋缺氧事件同样适用.地质记录表明,早寒武世-晚志留世,海洋先后发生8次不同规模的缺氧事件,均可与全球识别的碳同位素漂移对比,并且常常伴随着不同规模的生物灭绝事件.因此,重建缺氧海水的分布范围及氧化还原结构,对研究早古生代海洋生态环境变化具有重要意义.同时,这些事件在纵向上表现出缺氧海底面积占比逐渐缩小的趋势,与同期大气氧气含量的长期爬升、二氧化碳含量的持续降低相吻合.海洋缺氧事件、生物灭绝事件及同期其他构造-气候变化等地质事件,共同构成早古生代地球系统变化的缩影,同...     

未来厄尔尼诺-南方涛动变率影响南大洋及南极陆架水增暖

<正>南大洋包含复杂的海洋和大气过程,是全球最重要的热量存储地,可吸收约70%的由温室气体引发的额外热量^[1,2].中高纬南大洋强劲的西风引发了广泛的海洋上升流,海表面以下2～3公里的海水可沿着陡峭的等密面涌升至海表面,之后分为两支路径^[3,4].一支在大约60°S以北,海洋次表层温度较低,海水涌升后在西风驱动的北向Ekman流作用下向北输运,途中从大气吸收大量的热量、淡水和碳,     

近百年中国气候变化科学问题的新认识

全球和中国的气候变化问题日益受到各国政府、科技界和公众的关注.其中科学问题作为气候变化影响和对策的科学基础与支撑,得到了广泛而深入的研究,无论在国际上还是在中国都取得了重大进展.本文从全球的视野对与中国气候变化有关的6个方面的重要科学进展和新认知作了概述.它们包括:(1)近百年中国区域地表气温和大气平均气温的变化特征;(2)中国地区的水循环与区域降水变化;(3)亚洲季风的长期变化与原因;(4)海洋在近百年中国气候变化中的作用;(5)中国气候变化的原因;(6)全球与中国气候变化的预估和检验.最后,本文对未来中国气候变化研究需要加强的重点科学问题也提出了研究建议.     

陆海统筹研发碳汇

人类活动引起的大气CO_2浓度增加正在加剧全球气候变化,因而全球碳循环和碳汇研究广受关注,它不仅是科学问题,也是关乎经济和社会发展的问题.碳汇研究涉及大气、陆地、海洋等各圈层.陆地向海洋输出的碳通量,与陆-气界面、海-气界面相当;但大部分陆地上形成的有机碳,在输入河流和近海时发生了改变,不仅无法形成碳汇,反而引发河口碳源效应.因此,系统开展陆海统筹协同研究,对于全面认识碳汇形成过程与调控机制十分必要.新近提出的"微型生物碳泵(microbial carbon pump,MCP)"理论为开展陆海统筹研发碳汇奠定了基础,可望以MCP为突破口,通过学科交叉研究和"产、学、研、政、用"结合,实现协同创新,为发展低碳经济提供科技支撑.     

极地大气科学考察与全球变化

南极和北极是地球上的气候敏感地区,也是多个国际计划研究全球气候变化的关键地区.极地包含了大气、海洋、陆地、冰雪和生物等多圈层相互作用的全部过程,在全球气候的形成和变化中有重要的作用.极地大气科学考察与研究是极地科学研究的重要组成部分.到2008年初,我国自主组织了24次南极考察,2次北冰洋考察和4次北极站考察;建成了南极长城站、中山站和北极黄河站,并在南极冰盖设置了5个无人自动气象站;开展了有关极地大气科学与全球变化的研究.在南北极地区.进一步加强国际合作,继续监测包括近地面温度在内的大气要素的变化,提高极地气象业务水平;拓展极地气象业务和大气科学考察研究领域,积极获取气候代用资料;进一步量化和认识极地在全球变化中的作用,及其对我国天气气候和国民经济可持续发展的影响;建立完善极地大气科学研究体系,提高极地大气科学研究水平,仍是我国极地大气科学与全球变化研究的重要内容之一.     

北冰洋环境快速变化与生态响应*

随着全球变暖的加剧,北冰洋环境正在发生快速变化,水温升高、夏季海冰覆盖面积和海冰储量下降、淡水输入增加、盐度下降、海水酸化现象初现,导致原本依托海冰生存的北冰洋生态系统遭受前所未有的冲击。已有研究表明,与冰相关生物的生存状况正在恶化,初级生产者个体呈现小型化趋势,冰藻减少影响底栖生物产量,亚北极种入侵。由于北极环境和生态系统变化远超预期,而人类对生态系统、特别是北冰洋中心区的了解非常有限,如何尽快建立观测体系、加强对生态系统的了解、预测潜在的变化成为未来的重要课题。     

玄武岩风化是重要的碳汇机制吗?

在全球碳循环的研究中,硅酸盐化学风化被认为是大气CO_2的一个重要汇.自1996年Gislason开展对冰岛玄武岩(硅酸盐岩的一种)风化碳汇的研究以来,玄武岩风化引起的"大气"CO_2高消耗更成为研究热点.在对相关文献进行全面系统梳理的基础上,发现玄武岩流域的所谓"大气"CO_2高消耗(碳汇)可能与下述原因有关:(1)碳通量较高的玄武岩研究区多位于热带或洋岛-岛弧地区,该区雨量充沛,河流径流量大,进而造成碳通量较大;(2)硅酸盐岩流域高的溶解无机碳(DIC)浓度并非来自硅酸盐矿物的风化,而是来自广泛分布在硅酸岩中的痕量碳酸盐矿物的快速风化,而这应该归为碳酸盐风化对岩石风化碳通量的贡献;(3)外源酸溶解痕量碳酸盐矿物,贡献HCO_3~-,但并未构成大气碳汇;(4)玄武岩流域中参与岩石风化的CO_2并非全部来自大气和土壤,其中一部分可能来自深源CO_2,而深源CO_2参与形成的DIC不仅不能归为大气碳汇,反而是碳源.由此可见玄武岩风化是否是一个重要的碳汇机制值得进一步研究厘定.     

CO_2的去向

科罗拉多州大气科学家坦斯(Tang)说:“我们认为海洋能吸收将近40%的CO_2。这种观念现在我们才真正认为是错误的。”煤、石油与天然气燃料每年以CO_2的形式向大气层排放大约63亿吨的碳。由于海洋和陆地只能吸收一部分,而33亿吨进入了大气层,造成世界关心的CO_2聚积问题。科学家们设想能从大气中吸收CO_2的“坑穴”,是南半球的海洋。但坦斯说,计算机模拟和实际测量与假设不符。他与美国宇航局戈达德空间研究所的冯美琪(Fung)和帕利塞斯市地质观测台的海洋学家塔卡黑什(Takahashi)做过这方面的工作。