兩代耦合海浪的地球系統(tǒng)模式FIO-ESM全球碳循環(huán)過(guò)程發(fā)展

宋振亞，鮑 穎，喬方利

（1.自然資源部 第一海洋研究所，山東 青島 266061；2.自然資源部 海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061；3.山東省海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061；4.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071）

全球碳循環(huán)研究是當(dāng)前氣候變化研究中的重要方向之一。自工業(yè)革命以來(lái)，人類(lèi)活動(dòng)不斷地向大氣中排放大量的CO2，導(dǎo)致了大氣CO2的持續(xù)增長(zhǎng)，目前大氣CO2體積分?jǐn)?shù)已達(dá)到415×10-6以上，并且仍呈現(xiàn)出較快的增長(zhǎng)勢(shì)態(tài)[1]。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC）[2]指出大氣CO2不斷增長(zhǎng)引起的溫室效應(yīng)是全球變暖的重要原因之一，由此引發(fā)的一系列環(huán)境、生態(tài)等問(wèn)題直接威脅到了人類(lèi)社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

全球碳循環(huán)過(guò)程是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程[2-3]，它包括海洋碳循環(huán)過(guò)程、陸地碳循環(huán)過(guò)程、大氣碳循環(huán)過(guò)程以及碳在海洋、陸地和大氣三個(gè)碳庫(kù)之間的轉(zhuǎn)移與循環(huán)過(guò)程。工業(yè)革命以來(lái)人類(lèi)活動(dòng)排放了大量CO2，已引起了海洋和陸地碳循環(huán)的變化；同時(shí)，CO2還影響大氣輻射強(qiáng)迫，使氣溫增加，影響全球氣候，并由此影響海洋和陸地的碳循環(huán)過(guò)程。全球碳循環(huán)過(guò)程與氣候系統(tǒng)是耦合在一起的，二者相互作用，相互影響。耦合全球碳循環(huán)過(guò)程的地球系統(tǒng)模式是氣候變化背景下碳循環(huán)與氣候相互作用研究的核心工具，也是滿(mǎn)足“碳中和、碳達(dá)峰”等國(guó)家重大需求的關(guān)鍵支撐工具。

耦合全球碳循環(huán)過(guò)程的地球系統(tǒng)模式在國(guó)際耦合模式比較計(jì)劃（Coupled Model Intercomparision Project,CMIP）[4-5]的推動(dòng)下，已經(jīng)取得了很大的發(fā)展。模式中的碳循環(huán)過(guò)程也實(shí)現(xiàn)了由簡(jiǎn)單向復(fù)雜的發(fā)展，其中海洋碳循環(huán)模式由早期的箱式模型[6-7]到營(yíng)養(yǎng)鹽驅(qū)動(dòng)模型[8-9]，發(fā)展為現(xiàn)在的復(fù)雜海洋生態(tài)動(dòng)力學(xué)碳循環(huán)模式[10-13]，陸地碳循環(huán)模式也考慮了碳氮耦合、動(dòng)態(tài)植被等更多過(guò)程[13-15]。但是，目前全球碳循環(huán)的模擬仍存在很大的不確定性[16-20]，碳循環(huán)過(guò)程的模擬不僅依賴(lài)海洋和陸地的生物地球化學(xué)過(guò)程，還強(qiáng)烈地依賴(lài)物理模式的發(fā)展[8,16,19-20]。

自然資源部第一海洋研究所自主研發(fā)的地球系統(tǒng)模式FIO-ESM（First Institute of Oceanography Earth System Model）[21-23]，在地球系統(tǒng)模式中創(chuàng)新性地引入小尺度海浪的作用，改進(jìn)了海洋與氣候系統(tǒng)的模擬與預(yù)測(cè)能力[24-31]，有助于提高全球碳循環(huán)過(guò)程的模擬能力。我們通過(guò)剖析地球系統(tǒng)模式FIO-ESM 新一代版本v2.0 物理氣候模式發(fā)展的特點(diǎn)，系統(tǒng)性地介紹FIO-ESM 全球碳循環(huán)過(guò)程從v1.0 到v2.0 的升級(jí)過(guò)程以及FIO-ESM 特色物理過(guò)程對(duì)全球碳循環(huán)過(guò)程的影響參數(shù)化方案，并初步評(píng)估FIO-ESM v2.0 全球碳循環(huán)模式的模擬能力。

1 FIO-ESM 物理氣候模式發(fā)展

全球碳循環(huán)模式的進(jìn)步強(qiáng)烈依賴(lài)物理氣候模式的發(fā)展。FIO-ESM 是基于Qiao 等提出的浪致混合理論而發(fā)展起來(lái)的國(guó)際上首個(gè)耦合海浪模式的地球系統(tǒng)模式。該模式從v1.0 版本的建立[21]，發(fā)展到當(dāng)前的v2.0 版本[22-23]，先后參加了第5 次和第6 次國(guó)際耦合模式比較計(jì)劃CMIP5 和CMIP6，其物理氣候模式取得很大的發(fā)展。FIO-ESM v2.0 對(duì)地球系統(tǒng)內(nèi)部的各分量模式進(jìn)行了升級(jí)，引入了海浪斯托克斯漂對(duì)海氣通量、海浪破碎飛沫對(duì)海氣熱通量以及海表面溫度（SST）日變化等新的物理過(guò)程參數(shù)化方案[22-23]，已有評(píng)估結(jié)果表明FIO-ESM v2.0 在SST、降水、厄爾尼諾-南方濤動(dòng)（El Ni?o-Southern Oscillation，ENSO）、大西洋翻轉(zhuǎn)環(huán)流（Atlantic Meridional Overturning Circulation，AMOC）、聯(lián)合區(qū)域降尺度計(jì)劃（COordinated Regional Downscaling Experient,CORDEX）的關(guān)鍵區(qū)域綜合模擬能力等方面都表現(xiàn)了較好的模擬能力[23,32-33]。

1.1 物理分量模式的升級(jí)

FIO-ESM v2.0 的各分量模式較上一代v1.0 進(jìn)行了升級(jí)，其分辨率、耦合頻率也有顯著提升。FIO-ESM v2.0 包含了大氣、陸地、徑流、海洋、海冰和海浪共6 個(gè)分量模式，通過(guò)耦合器實(shí)現(xiàn)各分量模式的耦合。大氣模式由v1.0 版本中的CAM3（Community Atmosphere Model 3）升級(jí)為CAM5，其動(dòng)力框架由歐拉譜動(dòng)力方案改為有限體積方案；水平分辨率由T42（2.875°×2.875°）提高到f09（0.942°×1.250°），垂向分層由原來(lái)的26層增加到30 層。陸面模式由v1.0 版本中的CLM3.5（Community Land Model 3.5）升級(jí)為CLM4.0，水平分辨率與大氣模式保持一致；徑流模式由v1.0 中作為陸地模式中的模塊分離出來(lái)，成為單獨(dú)的分量模式RTM（River Transport Model），水平分辨率為0.5°×0.5°。海洋分量模式與v1.0 版本一致，為POP2（Parallel Ocean Programme 2），水平分辨率仍為1.12°×（0.27°～0.54°）；但其垂向分辨率由原來(lái)的40 層加密到了61 層，其中第1 層為SST 日變化參數(shù)化方案診斷計(jì)算的表層（水深0 m）的海水溫度，即海水溫度變量為垂向61 層，其它三維變量為60 層。海冰模式仍為CICE4（Los Alamos National Laboratory Sea Ice Model 4），水平分辨率與海洋模式一致。海浪模式為自然資源部第一海洋研究所自主研發(fā)的MASNUM（Marine Science and Numerical Modeling）海浪模式，與v1.0 相比，v2.0 的海浪模式作為子程序直接嵌入到海洋分量模式POP2 中，水平分辨率與海洋模式相同，較v1.0 的2°×2°有顯著提高；影響海洋內(nèi)部混合的浪致混合系數(shù)與海洋環(huán)流的耦合也實(shí)現(xiàn)了在每一海洋模式時(shí)間步上的直接耦合，而不再受海洋與耦合器的數(shù)據(jù)交換頻率的限制，同時(shí)也減少了浪致混合系數(shù)帶來(lái)的三維數(shù)據(jù)插值和傳輸代價(jià)。耦合器由原來(lái)的CPL6（Coupler 6）升級(jí)為CPL7，在并行規(guī)模、分量并行布局、內(nèi)存管理等方面都有所改進(jìn)；大氣、陸面和海冰分量模式與耦合器的交換頻率由原來(lái)的24 次/d 提高至48 次/d，海洋模式與耦合器的交換頻率由1 次/d 提高至8 次/d，海浪模式與耦合器的交換頻率由4 次/d 提高至8 次/d。

1.2 特色物理參數(shù)化方案

FIO-ESM v2.0 物理氣候模式的發(fā)展還體現(xiàn)在特色物理過(guò)程參數(shù)化方案的發(fā)展方面。FIO-ESM v2.0 包含4 個(gè)特色的物理過(guò)程參數(shù)化方案[22-23]：①浪致混合參數(shù)化方案[34-35]，考慮浪致混合對(duì)海洋垂向混合的作用，該方案已在v1.0 中考慮。②海浪斯托克斯漂對(duì)海氣熱量和動(dòng)量通量的影響參數(shù)化方案。在海氣通量計(jì)算時(shí)，首次采用了物理上更為合理的參數(shù)化方案，即將大氣風(fēng)場(chǎng)、海表流場(chǎng)和斯托克斯漂流三者的相對(duì)速度作為海面風(fēng)速來(lái)計(jì)算海氣通量。③海浪飛沫對(duì)海氣熱通量的影響參數(shù)化方案[24,36]。在海氣熱通量計(jì)算時(shí)，首次引入了海浪破碎產(chǎn)生的飛沫對(duì)熱通量的作用，即在采用塊體公式計(jì)算出感熱通量和潛熱通量的基礎(chǔ)上，疊加上根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的飛沫引起的感熱通量和潛熱通量作為最終的海氣熱通量。④SST 日變化參數(shù)化方案[37]。采用了自主研發(fā)的一個(gè)SST 日變化參數(shù)化方案[37]，通過(guò)海表短波輻射、海表風(fēng)速、海洋模式第1 層（水深5 m）塊體溫度等物理量診斷出海洋表層（水深0 m）的溫度，得到更為準(zhǔn)確的SST 及日變化強(qiáng)度，然后替代原海洋模式的第1 層溫度發(fā)送給耦合器進(jìn)行海氣熱通量計(jì)算。

2 FIO-ESM 全球碳循環(huán)模式發(fā)展

FIO-ESM 全球碳循環(huán)模式包括海洋碳循環(huán)模式、陸地碳循環(huán)模式和大氣碳循環(huán)過(guò)程（CO2傳輸過(guò)程）三個(gè)部分，實(shí)現(xiàn)CO2在海洋、陸地和大氣三個(gè)碳庫(kù)之間的循環(huán)過(guò)程，并充分考慮了人類(lèi)活動(dòng)引起的CO2排放量對(duì)全球碳循環(huán)過(guò)程和氣候系統(tǒng)的影響。FIO-ESM v1.0 和v2.0 全球碳循環(huán)模式示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 FIO-ESM v1.0 和v2.0 全球碳循環(huán)模式示意圖Fig.1 Framework of FIO-ESM global carbon cycle model v1.0 and v2.0

2.1 海洋碳循環(huán)模式發(fā)展

FIO-ESM v1.0 全球碳循環(huán)模式中所采用的海洋碳循環(huán)模式是基于海洋碳循環(huán)模式比對(duì)計(jì)劃第二階段的生物地球化學(xué)模型OCMIP-2（Ocean Carbon Model Inter-comparison Project phase 2）[8,38-39]。該模型為營(yíng)養(yǎng)鹽驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)單的海洋生物地球化學(xué)模型，將海洋分成上層生產(chǎn)區(qū)和下層消耗區(qū)。上層生產(chǎn)區(qū)的生物將海水中的CO2轉(zhuǎn)化為生物體內(nèi)的有機(jī)碳，其生產(chǎn)力計(jì)算方案為營(yíng)養(yǎng)鹽驅(qū)動(dòng)方案，考慮了溫度、營(yíng)養(yǎng)鹽、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、生物量以及混合層深度的共同作用；下層消耗區(qū)的有機(jī)碳通過(guò)生物沉降過(guò)程中將碳帶入深層海洋，并在深層海洋發(fā)生再礦化，又轉(zhuǎn)化為溶解無(wú)機(jī)碳。OCMIP-2 預(yù)報(bào)變量包括溶解無(wú)機(jī)碳（DIC）、總堿度（ALK）、磷酸鹽（PO4）、溶解有機(jī)磷（DOP）、溶解氧（O2）、溶解無(wú)機(jī)鐵（Fe）共6 個(gè)變量。

FIO-ESM v2.0 全球碳循環(huán)模式中的海洋碳循環(huán)模式升級(jí)為過(guò)程更加復(fù)雜的NPZD（Nutrient-Phytoplankton-Zooplankton-Detritus）型海洋生態(tài)動(dòng)力學(xué)碳循環(huán)模型BEC（Biogeochemical Elemental Cycling）[11,40-41]。該模型包含了3 個(gè)浮游植物有關(guān)內(nèi)容（包括小型浮游植物、硅藻、固氮藻類(lèi)）、1種浮游動(dòng)物，6 種碎屑以及碳、氮、磷、硅、鐵、氧等6 種重要元素的循環(huán)過(guò)程；模型中包括了浮游植物的合光作用、浮游動(dòng)物的捕食和死亡、浮游生物的呼吸作用、有機(jī)物礦化等海洋碳、氮、磷、硅、鐵、氧循環(huán)的生物地球化學(xué)過(guò)程，考慮了海洋表層的大氣沉降對(duì)海洋氮、鐵通量的影響，以及陸表徑流對(duì)海洋碳、氮、磷、硅等各種物質(zhì)的影響，其主要過(guò)程示意圖如圖2 所示。該模型共有27 個(gè)預(yù)報(bào)的生物地球化變量（表1），它們的控制方程：

表1 FIO-ESM v2.0 海洋碳循環(huán)模式預(yù)報(bào)變量Table 1 Prognostic variables in FIO-ESM v2.0 ocean carbon cycle model

圖2 FIO-ESM v2.0 海洋碳循環(huán)過(guò)程示意圖Fig.2 Schematic diagram of FIO-ESM v2.0 ocean carbon cycle

式中：C為任一生物地球化學(xué)變量；t為 時(shí)間；L(C)為 平流項(xiàng)；HDiff(C)和VDiff(C)分別為水平和垂向擴(kuò)散項(xiàng)；JC為 生物地球化學(xué)過(guò)程產(chǎn)生的源匯項(xiàng)。L(C)、HDiff(C)和VDiff(C)體現(xiàn)了海洋環(huán)流的輸運(yùn)過(guò)程，即海洋物理泵的作用；JC體現(xiàn)了海洋內(nèi)部的生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程，即生物泵的作用，由生態(tài)-生物地球化學(xué)模型計(jì)算。通過(guò)上述公式實(shí)現(xiàn)了海洋動(dòng)力學(xué)模型和海洋生態(tài)、生物地球化學(xué)過(guò)程的耦合。

大氣CO2在海氣界面通過(guò)氣體交換過(guò)程進(jìn)入或脫離海洋，F(xiàn)IO-ESM v2.0 的海-氣CO2通量參數(shù)化方案為CMIP6 海洋生物地球化學(xué)模式比對(duì)計(jì)劃OMIP-BGC[42]海氣通量計(jì)算方案：

式中：FAO為海-氣CO2通量；kw為海-氣CO2的氣體交換系數(shù)，受海表風(fēng)場(chǎng)和SST 的影響。

[CO2*]為表層海水中的水合CO2濃度，由表層海水的碳酸鹽系統(tǒng)決定，即由DIC、ALK、PO4、硅酸鹽（SiO3）等計(jì)算，而該碳酸鹽系統(tǒng)的解離平衡等過(guò)程均受SST 和海表面鹽度（SSS）的影響。表層海水中的水合CO2濃度 [CO2*]與 海水的CO2分壓pCO2sw之間的關(guān)系：

式中：K0為 海水的溶解度；Cf為fugacity 系數(shù)，采用了1980 年Weiss 和Price 的方案[43]，直接計(jì)算的是海水溶解度和fugacity 的綜合系數(shù)K′，其為SST 和SSS 的函數(shù)。

[CO2*]sat為所處大氣條件下的海水的飽和CO2濃度，其計(jì)算公式：

其中：Pa為 大氣壓；pH2O 為 大氣中的水汽壓，依據(jù)CMIP6 參數(shù)化方案中[42]，忽略水汽壓的訂正；為大氣的CO2體積分?jǐn)?shù)；pCO2air為大氣CO2分壓，在水汽壓訂正忽略的情況下，。從而最終獲得海-氣CO2通量：

海-氣CO2通量受SST、SSS、海水的碳酸鹽系統(tǒng)、大氣壓等影響；其方向取決于海氣界面的CO2分壓差，如果大氣CO2分壓大于海洋CO2分壓，海洋將作為大氣CO2的匯吸收大氣CO2；反之，如果大氣CO2分壓小于海洋CO2分壓，海洋將成為大氣CO2的源，向大氣釋放CO2。

2.2 陸地碳循環(huán)模式發(fā)展

陸地碳循環(huán)的主要過(guò)程（圖3）包括：陸地植被通過(guò)光合作用從大氣中固碳并存儲(chǔ)于植物體內(nèi)，植被通過(guò)光合作用固定于植物體內(nèi)的有機(jī)碳稱(chēng)為陸地生態(tài)系統(tǒng)總初級(jí)生產(chǎn)力（Gross Primary Production，GPP）。植物體內(nèi)的有機(jī)碳一部分會(huì)通過(guò)植物自身的呼吸作用即自養(yǎng)呼吸（Autotrophic Respiration，RA）向大氣中釋放CO2，剩余部分為陸地生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力（Net Primary Production，NPP）。同時(shí)，土壤和植物凋落物中的有機(jī)質(zhì)被微生物分解向大氣釋放CO2，即為異養(yǎng)呼吸（Heterotrophic Respiration,RH），剩下的部分稱(chēng)為凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（Net Ecosystem Production,NEP）。最后，去除各種干擾損失，包括火災(zāi)、干旱、水災(zāi)等自然災(zāi)害損失的碳，余量稱(chēng)為凈生物群落生產(chǎn)力（Net Biome Production,NBP），該部分即為全球碳循環(huán)模式中陸地與大氣之間的CO2通量，體現(xiàn)了陸地和大氣碳庫(kù)之間的交換，它的大小和方向是我們進(jìn)行全球碳循環(huán)和氣候變化研究所關(guān)注的重要內(nèi)容。

圖3 FIO-ESM v2.0 陸地碳循環(huán)計(jì)算過(guò)程示意圖Fig.3 Schematic diagram of FIO-ESM v2.0 land carbon cycle simulation

FIO-ESM v1.0 陸地碳循環(huán)模式是陸面模式CLM3.5 中的CASA′模塊[44-45]。該模塊是在CASA（Carnegie-Ames-Stanford Approach）基礎(chǔ)上改進(jìn)的適用于全球氣候模式的陸地碳循環(huán)模塊，是一個(gè)靜態(tài)植被類(lèi)型的模型，其植被類(lèi)型的分布不隨時(shí)間變化而變化。該模型中將陸地碳庫(kù)分為12 個(gè)碳庫(kù)，包括3 個(gè)為活體碳庫(kù)和9 個(gè)死亡碳庫(kù)。其中，3 個(gè)活體碳庫(kù)分別為植被的葉碳庫(kù)、莖碳庫(kù)和根碳庫(kù)，9 個(gè)死亡碳庫(kù)包括了5 個(gè)碎屑碳庫(kù)（葉死亡產(chǎn)生的代謝表層凋落物碳庫(kù)和結(jié)構(gòu)表層凋落物碳庫(kù)、根系死亡率產(chǎn)生的代謝土壤凋落物碳庫(kù)和結(jié)構(gòu)土壤凋落物碳庫(kù)、木材死亡產(chǎn)生的粗木質(zhì)碎屑碳庫(kù)）、2 個(gè)微生物碳庫(kù)（表層微生物碳庫(kù)和土壤微生物碳庫(kù)）和2 個(gè)土壤有機(jī)碳庫(kù)（緩慢土壤有機(jī)碳庫(kù)和惰性土壤有機(jī)碳庫(kù)）。

FIO-ESM v2.0 全球碳循環(huán)模式的陸地碳循環(huán)模式為陸面分量模式CLM4.0 中的CN（Carbon-Nitrogen）模塊（CLM4-CN），是考慮碳和氮相互作用的碳氮耦合陸地碳循環(huán)模型[46-47]。該模型也是靜態(tài)植被類(lèi)型的陸地碳循環(huán)模型，其陸地植被類(lèi)型的分布不隨時(shí)間變化而變化，但是其碳、水循環(huán)等過(guò)程都有了顯著發(fā)展。CLM4.0-CN 模型的預(yù)報(bào)變量包括陸地植被、凋落物和土壤有機(jī)質(zhì)中的碳庫(kù)、氮庫(kù)以及植被-雪-土壤間的水和能量等。CN 模型將陸地碳庫(kù)分為30 個(gè)碳庫(kù)，包括20 個(gè)植被碳庫(kù)（葉、活體和死亡莖、活體和死亡粗根以及細(xì)根等碳庫(kù)6 個(gè)、這6 個(gè)碳庫(kù)的長(zhǎng)期和短期存儲(chǔ)碳庫(kù)共12 個(gè)、生長(zhǎng)呼吸存儲(chǔ)碳庫(kù)1 個(gè)、維持呼吸儲(chǔ)備碳庫(kù)1 個(gè)）、3 個(gè)凋落物碳庫(kù)（凋落物活性碳庫(kù)、凋落物纖維素碳庫(kù)、凋落物木質(zhì)素碳庫(kù)）、1 個(gè)粗木質(zhì)碎屑碳、4 個(gè)土壤有機(jī)物碳庫(kù)（快速、中速、緩慢和最慢）和2 個(gè)木質(zhì)林產(chǎn)品碳庫(kù)（十年周期和百年周期）。

FIO-ESM v2.0 全球碳循環(huán)過(guò)程中的陸-氣CO2通量FAL的計(jì)算公式：

其中：GPP為 陸地生態(tài)系統(tǒng)總初級(jí)生產(chǎn)力；RA為 植物自養(yǎng)呼吸釋放的CO2；RH為 異養(yǎng)呼吸釋放的CO2；Rfire為火災(zāi)引起的陸地生態(tài)系統(tǒng)CO2干擾損失項(xiàng)；NPP為 凈初級(jí)生產(chǎn)力；NEP 為 凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力；NBP為凈生物群落生產(chǎn)力。由于自然災(zāi)害引起的CO2干擾損失的復(fù)雜性與不確定性，在FIO-ESM v1.0 中沒(méi)有考慮此項(xiàng)，而在FIO-ESM v2.0 中僅考慮了火災(zāi)引起的陸地生態(tài)系統(tǒng)CO2損失 Rfire。

CLM4-CN 中陸地生態(tài)系統(tǒng)總初級(jí)生產(chǎn)力GPP 的計(jì)算采用兩葉模型。由于冠層陽(yáng)葉和陰葉的屬性不同，其輻射傳輸、氣孔導(dǎo)度及光合作用等過(guò)程也不同，因此兩葉模型先分別計(jì)算冠層的陽(yáng)葉與陰葉的光合作用，然后計(jì)算兩者之和即為陸地生態(tài)系統(tǒng)的GPP。GPP 的計(jì)算受溫度、氣孔導(dǎo)度、土壤濕度、根分布等影響，同時(shí)還考慮了土壤和葉片中氮含量等對(duì)初級(jí)生產(chǎn)力的限制作用，實(shí)現(xiàn)碳-氮耦合。植被的自養(yǎng)呼吸作用RA分為維持呼吸（Maintenance respiration,MR）和生長(zhǎng)呼吸（Growth respiration,GR）兩部分進(jìn)行計(jì)算。維持呼吸是活體生物體內(nèi)的溫度和氮濃度等的函數(shù)（不包括死亡莖和粗根碳庫(kù)）；地上部分碳庫(kù)的維持呼吸速率基于2 m 氣溫，地下部分碳庫(kù)（細(xì)根和粗根）的維持呼吸速率取決于根隨深度的分布和對(duì)應(yīng)的土壤溫度。生長(zhǎng)呼吸的計(jì)算取決于該時(shí)間步內(nèi)新生長(zhǎng)總碳的量。異養(yǎng)呼吸 RH發(fā)生于凋落物碳庫(kù)、土壤有機(jī)質(zhì)碳庫(kù)和粗木質(zhì)碎屑碳庫(kù)；異養(yǎng)呼吸速率受水、溫度等作用，并與植物總氮需求量競(jìng)爭(zhēng)?；馂?zāi)引起的陸地生態(tài)系統(tǒng)CO2損失Rfire，取決于地表土壤濕度等條件。在FIO-ESM v1.0 中陸-氣CO2通量的計(jì)算并沒(méi)有考慮氮對(duì)各過(guò)程的限制作用、火災(zāi)引起的CO2損失等，參數(shù)化過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，如自養(yǎng)呼吸 RA直接參數(shù)化為GPP 的一半。這種升級(jí)使得FIO-ESM v2.0 對(duì)陸地碳循環(huán)過(guò)程的刻畫(huà)更加合理與完善。

2.3 大氣CO2 輸運(yùn)過(guò)程

海洋碳循環(huán)過(guò)程和陸地碳循環(huán)過(guò)程分別通過(guò)海-氣CO2通量和陸-氣CO2通量與大氣CO2聯(lián)系在一起，構(gòu)成完整的全球碳循環(huán)過(guò)程。海-氣CO2通量和陸-氣CO2通量作為大氣CO2傳輸過(guò)程的底邊界條件影響大氣CO2的分布。在FIO-ESM v1.0 和v2.0 全球碳循環(huán)模式中，均在大氣分量模式中引入大氣CO2傳輸方程：

式中，L(CO2) 為 大氣CO2的平流、對(duì)流等物理過(guò)程作用項(xiàng)；FAO為海-氣CO2通量；FAL為陸-氣CO2通量；為歷史時(shí)期和未來(lái)不同情景下的大氣CO2的人為排放量。在海-氣CO2通量和陸-氣CO2通量的計(jì)算（式5 和式6）中，F(xiàn)AO和FAL分別是向海洋為正和向陸地為正，因而在大氣CO2方程中需要改變方向。大氣CO2的人為排放主要包括了工業(yè)革命以來(lái)人類(lèi)活動(dòng)引起的化石燃料排放和土地利用類(lèi)型變化引起的排放。

海-氣CO2通量FAO和陸-氣CO2通量FAL分別由海洋碳循環(huán)模式和陸地碳循環(huán)模式計(jì)算，并通過(guò)耦合器將數(shù)據(jù)傳遞給大氣模式。大氣CO2的人為源匯項(xiàng)可通過(guò)大氣模式直接讀入歷史觀測(cè)和未來(lái)情景預(yù)估的人為CO2排放數(shù)據(jù)。在FIO-ESM v1.0 中，人為CO2排放數(shù)據(jù)為CMIP5 給出的歷史觀測(cè)和RCP（Representative Concentration Pathways）未來(lái)情景數(shù)據(jù)；在FIO-ESM v2.0 中，則為CMIP6 給出的歷史觀測(cè)和SSP（Shared Socioeconomic Pathways）未來(lái)情景排放數(shù)據(jù)。

大氣CO2傳輸方程的引入，實(shí)現(xiàn)了碳在大氣、海洋、陸地三個(gè)碳庫(kù)之間的物質(zhì)循環(huán)。同時(shí)，海洋和陸地碳循環(huán)過(guò)程以及人為CO2排放共同決定了大氣的CO2濃度。由于大氣CO2是最為重要的溫室氣體之一，通過(guò)影響大氣輻射平衡，進(jìn)一步影響氣溫，從而影響全球氣候變化；而海洋和陸地碳循環(huán)過(guò)程都強(qiáng)烈地依賴(lài)于物理過(guò)程，所以氣候變化又會(huì)影響海洋和陸地的碳循環(huán)，進(jìn)一步通過(guò)海-氣CO2通量和陸-氣CO2通量影響大氣CO2濃度，從而實(shí)現(xiàn)全球碳循環(huán)過(guò)程與氣候系統(tǒng)的耦合。

2.4 特色物理過(guò)程與全球碳循環(huán)

在FIO-ESM 物理氣候模式的發(fā)展中，海浪模式是其重要特色，浪致混合作用從v1.0 就已經(jīng)引入，并通過(guò)影響海洋內(nèi)部的垂向混合實(shí)現(xiàn)影響全球氣候。在物理氣候模式中，浪致混合系數(shù)由海浪模式計(jì)算，并疊加到海洋環(huán)流模式中原有垂直混合方案中的動(dòng)量方程垂向黏性系數(shù)和溫鹽方程的垂向擴(kuò)散系數(shù)上[22]。在全球碳循環(huán)模式中，浪致混合系數(shù)也疊加到了所有生物地球化學(xué)預(yù)報(bào)變量的垂向擴(kuò)散系數(shù)上（式8），影響海洋碳循環(huán)過(guò)程的所有預(yù)報(bào)變量，從而影響全球碳循環(huán)與氣候變化。在FIO-ESM v1.0 和v2.0 全球碳循環(huán)模式中均考慮了浪致混合對(duì)海洋生物地球化學(xué)過(guò)程的影響，公式：

式中：Km和Kh分 別為動(dòng)量垂向黏性系數(shù)和溫鹽及生物地球化學(xué)變量控制方程的垂向擴(kuò)散系數(shù)；Km0和Kh0分別為KPP 垂向混合參數(shù)化方案計(jì)算的垂向黏性系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)；Bv為海浪模式計(jì)算的浪致混合系數(shù)。

除浪致混合外，SST 日變化過(guò)程也通過(guò)影響海-氣CO2通量的計(jì)算而影響全球碳循環(huán)過(guò)程。受太陽(yáng)短波輻射周日變化引起的SST 日變化過(guò)程是SST 最主要的變化之一，SST 的日變化氣候態(tài)強(qiáng)度可達(dá)1.5oC[37]，單日最大振幅變化可達(dá)6oC[48]，這種變化強(qiáng)度在部分海區(qū)超過(guò)了SST 的年際和長(zhǎng)期的變化趨勢(shì)。從海氣通量的計(jì)算（式2～式5）可見(jiàn)，海表的SST 會(huì)影響海氣交換速度、海水的CO2溶解度、表層海水的pCO2、碳酸鹽的解離平衡等，從而影響海-氣CO2通量。已有觀測(cè)資料研究表明[49]，由于SST 存在顯著的日變化特征，表層海水的CO2分壓也存在顯著日變化特征；還有研究表明[50]，利用塊體溫度計(jì)算海-氣CO2通量與考慮日變化的真正表層溫度計(jì)算的海-氣CO2通量存在顯著的差異。Bernie 等[51]指出，只有當(dāng)表層海水的垂向分辨率達(dá)到1 m 時(shí)，模式才能模擬SST 的日變化振幅，這對(duì)海洋與氣候模式都會(huì)產(chǎn)生巨大的計(jì)算消耗。在之前的模式中，由于受溫度計(jì)算的限制，SST 均為模式第1 層的塊體溫度，該溫度不能準(zhǔn)確模擬SST 的日變化強(qiáng)度。FIO-ESM v2.0 引入SST 日變化參數(shù)化方案后，獲得的表層（水深0 m）海溫具有顯著的日變化振幅，且與觀測(cè)量級(jí)相當(dāng)[23]。因而，在FIO-ESM v2.0 全球碳循環(huán)模式中海-氣CO2通量的計(jì)算過(guò)程中，將所用SST由海洋模式第1 層的塊體溫度替換為由模式SST 日變化參數(shù)化方案計(jì)算得到的具有更準(zhǔn)確日變化特征的SST，實(shí)現(xiàn)了SST 日變化過(guò)程對(duì)海-氣CO2通量計(jì)算的影響，完善了海-氣CO2通量的參數(shù)化方案。

3 FIO-ESM v2.0 的全球碳循環(huán)數(shù)值模擬

3.1 FIO-ESM v2.0 的C4MIP 試驗(yàn)?zāi)M

FIO-ESM v2.0 全球碳循環(huán)模式目前正進(jìn)行CMIP6 中耦合氣候-碳循環(huán)模式比較計(jì)劃（Coupled Climate-Carbon Cycle Model Intercomparison Project,C4MIP）試驗(yàn)[52]，已完成了全球碳循環(huán)耦合模式的Spinup 試驗(yàn)（esmspinup）和工業(yè)革命前控制試驗(yàn)（esmpicontrol），正在開(kāi)展歷史試驗(yàn)（esmhistorical），完成后將開(kāi)展SSP585 情景下的未來(lái)情景預(yù)估試驗(yàn)（esmssp585）。

全球碳循環(huán)esmspinup 試驗(yàn)是在全球碳循環(huán)模式中設(shè)定大氣CO2體積分?jǐn)?shù)為1850 年的284.32×10-6,驅(qū)動(dòng)海洋和陸地碳循環(huán)過(guò)程，使海洋和陸地碳循環(huán)先達(dá)到平衡態(tài)，即海-氣和陸-氣CO2通量趨于0，從而保障全球碳循環(huán)過(guò)程的順利耦合。esmpicontrol 試驗(yàn)，是在esmspinup 試驗(yàn)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)全碳循環(huán)過(guò)程的完全耦合，即在人為CO2排放量為0 的條件下，大氣CO2由海-氣和陸-氣CO2通量來(lái)驅(qū)動(dòng)大氣CO2方程計(jì)算，并由模式計(jì)算的大氣CO2來(lái)驅(qū)動(dòng)大氣輻射傳輸模型影響物理氣候系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)海洋和陸地面碳循環(huán)過(guò)程影響全球碳循環(huán)過(guò)程。根據(jù)C4MIP 試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，esmspinup 試驗(yàn)?zāi)M的海洋和陸地碳庫(kù)可以存在一定的變化趨勢(shì)，但均應(yīng)小于10 PgC/100 a，即海-氣和陸-氣CO2通量應(yīng)小于10 PgC/100 a；esmpicontrol 試驗(yàn)?zāi)M的海-氣和陸-氣CO2通量的飄移也應(yīng)該控制在10 PgC/100 a 內(nèi)，大氣CO2體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)應(yīng)該穩(wěn)定控制在5 ×10-6/100 a 內(nèi)。

FIO-ESM v2.0 全球碳循環(huán)模式在大氣CO2體積分?jǐn)?shù)為284.32×10-6驅(qū)動(dòng)下，完成了1 000 a 的esmpinup 試驗(yàn)，其最后200 a 平均的海-氣和陸-氣CO2通量分別為9.1 和-6.1 PgC/100 a，海洋存在向大氣排放CO2的趨勢(shì)、陸地存在從大氣吸收CO2的趨勢(shì)，但均達(dá)到了C4MIP 的要求。在此基礎(chǔ)上，我們完成了500 a 的esmpicontrol 試驗(yàn)，模擬結(jié)果顯示500 a 平均的大氣CO2體積分?jǐn)?shù)為286.85×10-6（圖4），較工業(yè)革命前觀測(cè)值284.32×10-6偏大；大氣CO2體積分?jǐn)?shù)的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)為1.33 ×10-6/100 a；500 a 平均的海-氣和陸-氣CO2通量分別為6.7 和-4.2 PgC/100 a，大氣碳庫(kù)存在一個(gè)弱的源（2.5 PgC/100 a），對(duì)應(yīng)了大氣CO2的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)。盡管esmpicontrol 試驗(yàn)的模擬結(jié)果存在一定的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，但是均控制在了C4MIP 試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)。需要注意的是，在對(duì)esmhistorical 試驗(yàn)和esmssp585 情景試驗(yàn)的模擬結(jié)果分析時(shí)，需要去除該趨勢(shì)項(xiàng)的影響。

圖4 全球碳循環(huán)esmpicontrol 試驗(yàn)?zāi)M的大氣CO2 體積分?jǐn)?shù)、海-氣CO2 通量和陸-氣CO2 通量（海-氣和陸-氣CO2 通量向大氣為正）Fig.4 Simulated atmospheric CO2 concentration,air-sea CO2 flux and land-sea CO2 flux in the esmpicontrol experiment（positive CO2 flux means release CO2 to the atmosphere）

3.2 FIO-ESM v2.0 的BGC-OMIP 試驗(yàn)?zāi)M

FIO-ESM v2.0 全球碳循環(huán)模式也完成了海洋模式比較計(jì)劃下的生物地球化學(xué)-海洋模式比較計(jì)劃（BGCOMIP）試驗(yàn)[42]中基于CORE2（Coordinated Ocean Research Experiments version 2）驅(qū)動(dòng)的omip1 全球海洋碳循環(huán)數(shù)值模擬試驗(yàn)。該試驗(yàn)的物理模式配置與Shu 等[53]一致，其大氣強(qiáng)迫場(chǎng)為CORE2 數(shù)據(jù)，時(shí)間長(zhǎng)度為1948—2009 年共62 a，驅(qū)動(dòng)海洋模式完成5 個(gè)循環(huán)，即進(jìn)行310 的數(shù)值積分，對(duì)應(yīng)的年份為1700—2009 年。大氣CO2為CMIP6 給出的1850—2009 年數(shù)據(jù)，在1850 年以前固定為1850 年的284.32 ×10-6。在參數(shù)化方案方面，考慮了浪致混合對(duì)生物地球化學(xué)變量的垂向混合作用、海浪斯托克斯漂對(duì)海氣動(dòng)量和熱量通量的影響、SST 日變化對(duì)海表熱通量和CO2交換通量的影響，由于OMIP 試驗(yàn)要求采用指定的塊體公式計(jì)算海氣動(dòng)量和熱量通量，因而飛沫對(duì)海氣熱通量的作用在該試驗(yàn)中并沒(méi)有考慮。

FIO-ESM v2.0 海洋碳循環(huán)模擬試驗(yàn)的全球年平均海-氣CO2通量時(shí)間序列見(jiàn)圖5。模式模擬的全球年平均海-氣CO2通量結(jié)果表明，自1850 年起隨著大氣CO2濃度的增長(zhǎng)而增大，2000—2009 年平均海氣通量為2.01 PgC/a，與全球碳收支計(jì)劃（Global Carbon Budget，GCB）[54]給出的2.14 PgC/a 一致。模式也很好地模擬出了全球CO2通量的年際變化特征，1948—2009 年模式模擬的年平均海-氣CO2通量與GCB 的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.95。

圖5 FIO-ESM v2.0 BGC-OMIP 試驗(yàn)和GCB 全球年平均海洋碳吸收的時(shí)間序列Fig.5 Time series of global averaged oceanic CO2 sink from BGC-OMIP experiment and GCB data

氣候態(tài)年平均海-氣CO2通量的分布（圖6）表明，海洋吸收大氣CO2的海區(qū)主要位于南北半球的中緯度海區(qū)，而海洋向大氣釋放CO2的區(qū)域主要位于赤道地區(qū)與南大洋海區(qū)，模式的模擬結(jié)果也很好地再現(xiàn)了這種分布特征。赤道太平洋海區(qū)由于赤道上升流等動(dòng)力過(guò)程顯著，該海區(qū)是海洋向大氣釋放CO2的顯著源區(qū)，并具有顯著的年際變化特征，該海區(qū)基于觀測(cè)數(shù)據(jù)的海-氣CO2通量也存在較大的不確定性[55]。同時(shí)，由于模式模擬的DIC 濃度在赤道太平洋存在東部偏高、西部偏低的偏差，該偏差會(huì)引起表層海水的CO2分壓在赤道東太平洋偏高、東太平洋偏低，從而使模擬的赤道太平洋海區(qū)的海-氣CO2通量在東太平強(qiáng)度和范圍偏大、西太平洋排放區(qū)域偏小。

圖6 觀測(cè)與FIO-ESM v2.0 BGC-OMIP 試驗(yàn)?zāi)M的氣候態(tài)年平均海-氣CO2 通量分布（正值表示海洋向大氣釋放CO2，負(fù)值表示海洋從大氣吸收CO2）Fig.6 Spatial distribution of observed and model simulated climatological annual air-sea CO2 flux（Positive value means ocean release CO2 to atmosphere,while negative value means ocean absorb CO2 from the atmosphere）

從整體來(lái)看，全球氣候態(tài)平均海-氣CO2通量模擬結(jié)果與觀測(cè)的空間分布相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.8，均方根誤差為9.09 gC/（m2·a）。海-氣CO2通量長(zhǎng)期變化、年際變化以及氣候態(tài)分布均表明，F(xiàn)IO-ESM v2.0 海洋碳循環(huán)的模擬結(jié)果能夠很好地再現(xiàn)歷史時(shí)期海洋碳循環(huán)的特征。

4 展 望

通過(guò)系統(tǒng)地介紹自然資源部第一海洋研究所自主研發(fā)的地球系統(tǒng)模式FIO-ESM 全球碳循環(huán)過(guò)程從v1.0版本至v2.0 版本的發(fā)展，揭示了FIO-ESM v2.0 全球碳循環(huán)模式實(shí)現(xiàn)的海洋生態(tài)過(guò)程與全球碳循環(huán)的耦合、陸地碳-氮相互作用與全球碳循環(huán)的耦合。其充分考慮了土地利用變化、化石燃料排放等人類(lèi)活動(dòng)的影響，并考慮了浪致混合作用對(duì)生物地球化學(xué)垂向混合過(guò)程的影響以及SST 日變化對(duì)海-氣CO2通量的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了更準(zhǔn)確的全球碳循環(huán)過(guò)程。

雖然FIO-ESM v2.0 全球碳循環(huán)模式歷史時(shí)期和未來(lái)預(yù)測(cè)試驗(yàn)尚在進(jìn)行中，但是全球碳循環(huán)的工業(yè)革命前控制試驗(yàn)結(jié)果的初步分析表明，F(xiàn)IO-ESM v2.0 全球碳循環(huán)模式可獲得工業(yè)革命前的穩(wěn)定態(tài)，這為歷史和未來(lái)試驗(yàn)的順利進(jìn)行提供了保障。大氣驅(qū)動(dòng)下的FIO-ESM v2.0 全球海洋碳循環(huán)模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，海洋碳循環(huán)模式能夠再現(xiàn)歷史時(shí)期的海-氣CO2通量的變化特征及空間分布特征，具有較好的全球海洋碳循環(huán)模擬能力，為進(jìn)一步開(kāi)展海洋碳循環(huán)模擬與研究奠定了基礎(chǔ)。

FIO-ESM 是以耦合海浪為特色的地球系統(tǒng)模式，其發(fā)展過(guò)程表明，小尺度海浪在大尺度氣候系統(tǒng)中能夠起到重要的作用。海浪不僅能夠通過(guò)海洋混合、斯托克斯漂和海浪飛沫的海氣通量作用對(duì)氣候系統(tǒng)起到關(guān)鍵作用，還能夠通過(guò)海面粗糙度影響大氣底摩擦和反照率、通過(guò)海浪破碎影響大氣邊界層氣溶膠、通過(guò)冰-海-浪相互作用影響海冰分布等。因此，海浪在氣候系統(tǒng)中所起到的作用會(huì)越來(lái)越多引起關(guān)注，其作用應(yīng)受到更大的重視。

自二十世紀(jì)六七十年代以來(lái)，地球系統(tǒng)模式取得了極大的發(fā)展和進(jìn)步，經(jīng)歷了海氣耦合環(huán)流模式、氣候系統(tǒng)模式，目前已經(jīng)進(jìn)入到包含生物地球化學(xué)過(guò)程的地球系統(tǒng)模式階段。模式分辨率越來(lái)越高、所包含的過(guò)程（物理、化學(xué)、生物等）也越來(lái)越復(fù)雜，這離不開(kāi)超級(jí)計(jì)算機(jī)和高性能計(jì)算技術(shù)的支持，也需要地球科學(xué)不同學(xué)科之間的密切合作。從FIO-ESM 的發(fā)展來(lái)看，地球系統(tǒng)模式發(fā)展是一項(xiàng)長(zhǎng)期的研究工作，是多領(lǐng)域多學(xué)科之間持續(xù)性合作與互相促進(jìn)的結(jié)果，也是多學(xué)科、多圈層集成研究的重要平臺(tái)，未來(lái)的發(fā)展更加離不開(kāi)進(jìn)一步的多學(xué)科交叉融合。