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海陆联动,“探脉”碳循环与气候互馈作用

发布日期:2017-11-23 20:26:00 作者:冯丽妃 出处:科学网

由林光辉担任首席科学家的“973”项目—“碳循环关键过程及其与气候系统耦合的研究”即将验收。谈起项目特色,这位清华大学地球系统科学系教授不假思索地脱口而出:一个耦合,一个连接。“耦合就是把碳循环和气候系统的相互作用联系在一起;连接就是建立陆—海之间动态的、多维的、时空上的碳交换。”他特别强调“‘碳’是气候变化的最重要的变量之一;目前的地球系统模式都把碳加进去了,但对于动态的‘碳循环’过程考虑得很不够。”

研究碳循环相关的陆地、海洋及其界面的关键生物地球化学过程与机理是减少气候预测不确定性和建立新一代碳循环模型的基础。立项之初,这个集结了清华大学、中科院植物所、北京师范大学、西北农林科技大学、中科院寒旱所、天津科技大学等单位的专家就决心自主研发碳循环模式及碳循环—气候耦合模式,揭示海陆碳循环—气候的互馈作用,服务国家决策和国际谈判。

海陆协同,追踪碳循环

从1750年至2011年,因化石燃料燃烧和水泥生产、毁林和其它土地利用变化等人为活动估计已累积释放5550亿吨碳,其中已有2400亿吨累积在大气中,有1550亿吨被海洋吸收,而自然陆地生态系统累积了1600亿吨。但这一循环中仍有很多关键过程并未得到清楚了解。例如,在陆—海—气碳交换中,河流和滨海湿地起着重要作用,但其固碳潜力却一度被忽视。

“众多研究表明,这些覆盖面积占近海海岸区域不到1%的滨海湿地生态系统,每年可固定约3亿吨CO2,相当于抵消全球交通工具碳排放总量的1/3。”林光辉说,此次研究的重点之一便是这些潮间带的生态系统,特别是红树林、盐沼和海草床等“蓝碳”在调节CO2浓度方面的作用。

“一脚踩在陆地,一脚踏入海中。”生活在热带海岸潮间带的“两栖植物”—红树林是保护我国海岸线、维持近海生物多样性的森林卫士。研究人员通过在福建云霄和广东湛江高桥、雷州等地已建的红树林生态系统碳通量观测网监测发现,红树林湿地固碳能力相当于陆地森林生态系统的两倍多,同时滨海湿地每年的碳交换率和碳汇能力也显著高于内陆湿地。

然而,全球范围内作为重要碳汇之一的红树林面积正在以每年约1%~2%的速度递减。林光辉表示,幸运的是,与全球情况相反,当前我国红树林面积在以每年2%~3%的速度增加,这与国家重视和呼吁保护与恢复红树林有很大关系。他表示,相关研究对开发我国海岸带蓝碳潜力,用于抵消工业CO2排放提供了很好的科技支撑。

此外,研究人员还对海—陆碳循环方面的一些“黑箱”进行了探索,如利用微生物基因序列从不同角度研究土壤碳库,基于陆地模型整合了甲烷和氧化亚氮等温室气体通量过程,研究了我国干旱荒漠区典型生态系统的碳汇,系统探究了黄河、长江、珠江等三大河流碳通量的影响因素和时空变化规律,验证河流—河口—陆架的耦合模型使得陆地—河流—海洋碳循环得以完整对接,等等。

“现在都是通过数据说话。这些新研究有助于对当前全球碳循环进行收支估算,促进不同生态系统的连接,加强中国在这一领域的国际话语权。”该项目参与者、西北农林科技大学副教授朱求安表示。

研发耦合器,建立“订制聊天室”

“耦合器就像一个通道或‘聊天窗口’。它可以让模块在保持独立的同时,建立起相互之间的联系”。该项目地球系统模式开发专家、清华大学地球系统科学系刘利副教授解释说,比如大气和海洋是两个相对独立的自然界子系统,但大气的降雨和海洋的蒸发,使得这两个独立的子系统之间发生物质交换,“耦合器可以让它们之间相互协作”。

长期以来,我国没有自己的耦合器,地球系统模式发展只能依赖国外耦合器。刘利与同事不断攻克技术难题,做出了我国首个自主设计研发的地球系统模式耦合器C-Coupler1,填补了我国耦合器软件的空白,把我国耦合器研究推到世界先进水平。

“C-Coupler是国际上一个新的、独立的耦合器家族,不同耦合模式配置可共享同一分量模式及耦合器,这是C-Coupler的重要特色。这有点类似‘私人订制’,可以根据模块的多少定制所需要的交互平台。”刘利说。据悉,当前C-Coupler1已逐步在国家海洋局第一海洋研究所、清华大学等单位的模式发展中应用,并构建了多个耦合模式,如区域风浪流耦合模式,并被用于台风相关研究。据透露,新一版的C-Coupler即将在明年上半年亮相,将进一步提高我国自主创新的耦合器水平。

与耦合器类似,林光辉向记者表示,此次项目成果的另一个特点就是“研究数据完全共享,与国际接轨,使相关数据获得了国际认可”。例如,项目建立的中国红树林生态系统碳通量观测网是中国碳通量观测网和全球碳通量观测网的重要组成部分;创建的集生态数据管理、可视化和在线分析为一体的FluxDATAONE数据共享平台可促进学者之间的长期合作;TRIPLEX-GHG相关模型参加了包括全球碳计划和北美碳计划模型比较在内的多项国际研究合作计划,P-Model被选为欧洲太空局实时全球生态系统生产力监测项目的模型,可对美国航天局的全球MODIS GPP产品进行新的重要补充。

“水晶地球”,预测未来发展

“有人认为,水晶球占卜可以看到过去或预言将来。利用地球系统模式,我们也可以预估未来50到100年后的地球气候、碳循环等的变化情况。”林光辉比喻说,全球许多国家,包括我国正在开发或完善的地球系统模式(ESM)就是这样的“水晶球”,如果做好了就可以预测未来地球碳循环的可能变化。

项目组已将C-Coupler加入到清华大学牵头发展的公共集成地球系统模式(CIESM)中,在大气、海洋和陆面分量模式中耦合了碳循环模块,开展了工业革命前控制试验和20世纪模拟试验。研究表明,在空间分布上,CIESM能较好地模拟出海—气CO2通量平均态。

研究发现在大气CO2浓度达到600 ppm(百万分之一)时,海洋碳汇加强速率减缓;在大气CO2浓度达到800 ppm时,海洋碳汇达到峰值。同时,海洋碳汇在全球平均温升达到4.0℃之前,有加强趋势,之后加强速率减缓。预估结果还表明,全球海洋及赤道太平洋、南大洋海气CO2通量在21世纪上半叶将快速增加,在大约2070年左右稳定;全球海洋碳汇在21世纪末为每年36.8亿~45.7 亿吨碳。

“现在,这个项目结束了,但相关研究并没有终止。”林光辉说,“这类创新性的研究不可能一次性地把问题全部解决完,所以培养年轻有潜力的下一代是项目的核心目标之一。”据悉,5年来,项目组已经通过现场实践“练兵”、参加国际研讨会、申请国内外基金等多种方式对年轻人才进行全方位、多层次的培养。

创新同时意味着挑战。由于受到诸如土地利用变化、养殖等人为活动的干扰以及强烈的时空动态变化,对精确的红树林碳平衡数据仍需进一步研究。此外,作为当前气候预测与全球变化研究面临的最具挑战性的任务之一,陆海间碳运输和转化的量化及模拟仍缺乏可靠的技术方法,对其过程及机理还需要进一步深入研究。“现在,初步的‘水晶球’原型有了,但很多核心技术还要继续完善。”林光辉说。

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