【摘要】：多年凍土是世界上最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù),在全球碳循環(huán)和氣候變化中起著舉足輕重的作用。全球變暖背景下北半球多年凍土的變化以及有機(jī)碳的釋放,已成為影響全球氣候變化走向的重要科學(xué)問(wèn)題。本文使用17個(gè)CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5)模式確定了1.5℃及2℃溫升的發(fā)生時(shí)間;基于觀測(cè)資料,驗(yàn)證了陸面模式CLM4.5(Community Land Model 4.5)和幾種半經(jīng)驗(yàn)半理論方法(Kudryavtsev方法、Nelson方法、Stefan方法)對(duì)北半球多年凍土的范圍及活動(dòng)層深度的模擬能力,并使用上述方法估算了1.5℃和2.0℃溫升條件下北半球多年凍土的變化以及多年凍土區(qū)域3.8 m深度內(nèi)有機(jī)碳的釋放量。本文得到的主要結(jié)論如下:(1)1.5℃和2℃溫升的發(fā)生時(shí)間在不同氣候情景下不同。多模式集合平均結(jié)果表明,全球平均地表溫度在三種排放情景下(Representative Concentration Pathways:RCP2.6,RCP4.5,RCP8.5)分別于2027、2026、2023年穩(wěn)定達(dá)到1.5℃閾值。RCP2.6情景下,全球平均地表溫度增幅將不會(huì)達(dá)到2℃閾值;在RCP4.5和RCP8.5情景下,全球平均地表溫度增幅穩(wěn)定達(dá)到2℃的時(shí)間分別為2046年和2037年。集合平均結(jié)果代表的氣候變化特征遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于各模式間的噪聲,其預(yù)估結(jié)果較為可信。(2)各方法對(duì)歷史時(shí)期北半球多年凍土范圍和活動(dòng)層深度的模擬存在較大的差異。CLM4.5僅能模擬出部分連續(xù)性和不連續(xù)性多年凍土(14.63×10~6 km~2),嚴(yán)重低估了北半球多年凍土的面積,該誤差可能與模式對(duì)次網(wǎng)格尺度系統(tǒng)的模擬能力以及驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)的質(zhì)量有關(guān)。Kudryavtsev方法與Nelson方法模擬的多年凍土范圍較國(guó)際凍土協(xié)會(huì)(International Permafrost Association,IPA)發(fā)布的多年凍土地圖略微偏小,多年凍土面積分別為18.28×10~6 km~2和18.48×10~6 km~2。Stefan方法、Kudryavtsev方法和CLM4.5模擬的活動(dòng)層深度與觀測(cè)值均呈顯著的正相關(guān),在量級(jí)上存在較大差異,平均偏差分別為60.27 cm,23.55 cm和5.49 cm。由于土壤數(shù)據(jù)深度限制(3.8 m),各方法對(duì)于深層多年凍土及活動(dòng)層深度的模擬存在局限性。(3)當(dāng)全球升溫1.5℃和2℃時(shí),三種方法預(yù)估的北半球多年凍土面積的平均值約為13.41×10~6 km~2和11.73×10~6 km~2,較歷史時(shí)期約減少3.52×10~6 km~2(21.99%)和5.4×10~6 km~2(31.98%),多年凍土南界將北移約1°~5°。不同方法對(duì)多年凍土面積的預(yù)估結(jié)果存在較大的差異,在同一排放情景下的不確定性約為4.42~5.85×10~6 km~2;三種方法的預(yù)估結(jié)果在不同排放情景間的不確定性較小,僅為0.08~0.69×10~6 km~2。全球變暖背景下,北半球大部分區(qū)域的活動(dòng)層深度較歷史時(shí)期顯著加深。(4)歷史時(shí)期北半球多年凍土區(qū)域3.8 m深度內(nèi)的有機(jī)碳儲(chǔ)量約為287.63~346.22Gt。全球升溫1.5℃及2℃時(shí),多年凍土將分別釋放21.08~34.62Gt和22.18~42.99 Gt有機(jī)碳。多年凍土區(qū)域有機(jī)碳儲(chǔ)量以及釋放量的不確定性可能與土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)的質(zhì)量、活動(dòng)層深度與多年凍土范圍的估算有關(guān)。
【圖文】：

圖 3.1 1901-2005 年 CRU 資料與 17 個(gè)氣候模式 Historical 試驗(yàn)資料的全球陸地平均地表溫度（單位：℃）（括號(hào)內(nèi)為相關(guān)系數(shù)，，P<0.001）3.2 不同氣候情景下全球升溫 1.5℃及 2℃的時(shí)間約翰·科迪等根據(jù)制造業(yè)增加值在總商品生產(chǎn)部門增加值中所占的份額來(lái)衡量工業(yè)化水平，將制造業(yè)產(chǎn)值小于國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）的 20%的時(shí)期定義為“工業(yè)化革命前”。1861—1880 年，1861—1900 年，1871—1900 年等時(shí)段均被用于表示“工業(yè)化革命前”的時(shí)期（郎咸梅和隋月，2013；張莉等，2013；陳曉晨等，2015)。考慮到各模式歷史氣候模擬的起始時(shí)間存在差異，大多數(shù)模式的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為 1850-2005 年，而 GFDL-CM3 和 HadGEM2-ES 模式分別從 1860 年和 1859年開(kāi)始積分，本文與 IPCC AR5 第一工作組決策者摘要（IPCC，2013）中使用的參考時(shí)段保持一致，選取 1861—1880 年作為工業(yè)化前的時(shí)期，分析不同模式、3種典型濃度路徑情景（RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5）下，全球平均地表溫度相對(duì)1861—1880 年平均值升幅達(dá)到 1.5℃及 2℃的時(shí)間。

蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 1.5℃和2.0℃溫升條件下北半球多年凍土的變化及其碳釋放率）隨輻射強(qiáng)迫增大而增大。在高排放情景下（RCP8.5），地表溫度升溫速率最大，率先達(dá)到 1.5℃及 2℃溫升；在中等排放情景下（RCP4.5），地表溫度在 21世紀(jì)初期和中期升溫速率較大，到 21 世紀(jì) 70 年代，升溫速率逐漸減��；在較低排放情景下（RCP2.6），地表溫度的升溫速率先增大后減小，大約于 21 世紀(jì)中期趨于穩(wěn)定，部分模式到 21 世紀(jì)末仍不會(huì)達(dá)到 2℃。多模式集合平均的結(jié)果顯示：到 21 世紀(jì)末期，RCP2.6 情景下全球年平均地表溫度升溫幅度最小，約升高1.9℃；RCP4.5 和 RCP8.5 情景下的升溫幅度均將超過(guò) 2℃，分別升高約 2.8℃和5.1℃，與張莉等（2013）得到的 1.74℃，2.6℃和 4.75℃溫升較為接近。
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：P642.14

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2666423