研究发现地球体系模式模仿热带太平洋海气CO2通量年际变率误差的缘故原由

　　近年来，国际上很多天气模仿中间开始在其天气体系模式中引入海洋生物地球化学模块，构建地球体系模式，从而在天气转变模仿中更好地反映海洋碳循环与天气的反馈作用。但是生物地球化学过程与物理过程的耦合存在复杂的非线性关系，因此，在行使地球体系模式预估将来天气转变前有需要评估地球体系模式对海洋碳循环的模仿结果。海气CO₂通量的年际变率同时受海洋物理过程和生归天学过程影响，是评估地球体系模式中碳循环与天气相互作用的有用指标。

　　最近中科院大气物理研究所的金晨曦博士、周天军研究员和陈晓龙博士，体系评估了第五次耦合模式比较计划（CMIP5）中地球体系模式模仿的热带太平洋海气CO₂通量的年际变率。研究注解，14个地球体系模式均能合理再现观测中厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）对热带太平洋海气CO₂通量年际变率的主导作用，但部分模式难以再现观测中El Nino期间赤道中太平洋的海气CO₂通量的负非常（向上为正）特性，其中HadGEM2-ES和MPI-ESM-LR甚至体现出与观测显明相反的正非常（图1）。因为这些模式均能较好模仿ENSO自己的年际变率特性，那么如何理解明显的海气CO₂通量模仿误差呢？

　　El Nino期间中东太平洋海温变暖，并伴随海水上翻削弱，但两者对海气CO2通量的作用相反。前者通过降低消融度、影响碳酸盐的化学平衡等过程导致海水CO₂分压增长，从而增长了海气CO₂通量（向大气排放），而后者削减了从深层到达海表的高碳海水（消融无机碳浓度随深度增长而增大），削弱了海水CO₂分压，因此降低了海气CO₂通量（从大气吸取）。观测中两者作用存在玄妙的平衡，最闭幕果由后者主导。通过将影响海气CO₂通量的各因子进行分解发现，误差较大的模式普遍低估了海水上翻削弱对海气CO₂通量的影响。假如热带太平洋海水上翻削弱的位置偏西、强度偏小或者消融无机碳浓度的天气态垂直梯度偏弱，都会低估El Nino期间海气CO₂通量的负非常（图2）。这一研究注解物理海洋过程和生归天学过程对地球体系模式中海气CO₂通量年际变率的模仿有划一紧张的作用。

　　参考文献：

　　Jin, C., T. Zhou, and X. Chen, 2019: Can CMIP5 Earth System Models Reproduce the Interannual Variability of Air–Sea CO2 Fluxes over the Tropical Pacific Ocean? J. Climate, 15, 2261–2275, https://doi.org/10.1175/JCLI-D-18-0131.1.

　　图1 1982-2005热带太平洋区域冬季（DJF）海气CO2通量第一主导模态（EOF1）的空间分布。百分比为EOF1的诠释方差。数据经过8年高通滤波。BNU-ESM、HadGEM-ES和MPI-ESM-LR与观测的海温非常几乎相反。

　　图2 横坐标为热带太平洋区域（160°E–120°W）200m以上的海水垂直速度（单位：10^-3m s^-1），纵坐标为天气态的消融无机碳（DIC）的垂直梯度（单位：mmol m^-3 m^-1），为100m以上和100-200m的DIC浓度之差。途中圆圈中给出了两者的乘积的数值，同时透露表现为颜色的深浅。乘积反映了El Nino期间海表DIC浓度的转变，从而影响海水CO₂分压和海气CO₂通量。