doi10.12006/j.issn.1673-1719.2018.066温作龙 , 姜玖 , 曹龙 . 太阳辐射管理地球工程对海洋酸化影响的模拟研究 [J]. 气候变化研究进展 , 2019, 15 1 41-53Wen Z L, Jiang J, Cao L. Simulated effects of solar geoengineering on ocean acidification [J]. Climate Change Research, 2019, 15 1 41-53太阳辐射管理地球工程对海洋酸化影响的模拟研究温作龙，姜 玖，曹 龙浙江大学地球科学学院大气科学系，杭州 310027气候变化研究进展第 15 卷 第 1 期 2019 年 1 月 CLIMATE CHANGE RESEARCHVol. 15 No. 1January 2019摘 要 研究地球工程对海洋酸化的影响对于评估地球工程对全球气候和环境的影响有重要意义。文中使用中等复杂程度的地球系统模式，模拟了典型 CO2高排放情景 RCP8.5 下，实施太阳辐射管理地球工程对海洋表面的 pH 和文石（碳酸钙的一种亚稳形态）饱和度的影响，并定量分析了各环境因子对海洋酸化影响的机理。模拟结果表明，在 RCP8.5情景下，到 2100 年，相对于工业革命前水平，全球海洋表面平均 pH 下降了 0.43，文石饱和度下降了 1.77。相对于RCP8.5情景， 2100 年地球工程情景下全球海洋表面平均 pH 增加了 0.003，而文石饱和度降低了 0.16。地球工程通过改变溶解无机碳、碱度、温度等环境因子影响海洋酸化。相对于 RCP8.5 情景，实施地球工程引起的溶解无机碳浓度的增加使 pH 和文石饱和度均减小，碱度的增加使 pH 和文石饱和度均增大，温度的降低使 pH 增大而使文石饱和度减小。总体而言，太阳辐射管理地球工程可以降低全球温度，但无法减缓海洋酸化。关键词 地球工程；太阳辐射管理；海洋酸化；气候变化；地球系统模拟收稿日期 2018-05-02； 修回日期 2018-08-22资助项目 国家重大基础科学研究计划项目（ 2015CB953601；国家自然科学基金项目（ 41675063， 41422503；中央高校基本科研业务费专项资金作者简介 温作龙，男，硕士研究生；曹龙（通信作者 ，男，教授， 引 言IPCC第五次评估报告[1]指出， 1900 2012年，全球地表平均气温升高 0.8℃； 1983 2012 年可能是过去 1400 年来最热的 30 年； 20 世纪 50 年代以来雪量冰量均下降，海平面升高，极端天气增多。气候变化与大气 CO2浓度关系密切。自工业革命以来，人类大量燃烧化石燃料和开发利用土地，导致大气 CO2浓度持续增加。 1870 2016 年，人为排放的 CO2累计有 565 Pg C，其中有 27 被海洋吸收， 17 被陆地吸收，还有 56 滞留在大气候变化影响气中[2]。 1750 2016 年，大气 CO2浓度从 280 10-6上升到 400 10-6[2]。大气 CO2浓度增加通过温室效应造成全球变暖。除了造成全球变暖， CO2排放对于全球海洋环境也有重要影响。海洋吸收 CO2将导致海洋酸化[3]。工业革命至今，海洋表面平均 pH（氢离子浓度指数）从 8.2 下降至 8.1，由于 pH- lg [H]，因此相应的H浓度增加了 26[1]。根据海洋碳酸盐化学，大气中的 CO2进入海水将有如下反应过程[4]CO2g CO2aq， 1CO2aq H2O H2CO3， 气候变化研究进展 2019 年42气候变化影响其中 CO2g表示大气中的 CO2， CO2aq表示海水中的 CO2。溶解在海水中的无机碳的存在形式有 CO2aq、 H2CO3、 HCO3-和 CO32-，浓度的总和用溶解无机碳（ Dissolved Inorganic Carbon，DIC）浓度表示，当前， DIC 大约 90 以 HCO3-形式存在， 10 以 CO32-形式存在，极少量（约0.5）以 CO2aq 和 H2CO3 形式存在[5]。海洋环流和输送将海表吸收的 CO2向深海传输，导致深海的酸化[6]。海洋酸化将使水体中碳酸钙饱和度下降，不利于珊瑚等海洋生物骨骼外壳的形成[7-8]。碳酸钙饱和度W的计算公式为Ksp*为碳酸钙的溶度积常数，由盐度、水温、水压决定[9]。当W1，则水体中碳酸钙过饱和，当WHCO3- H， 3CO32- HHCO3-。 4 W ， 5 [Ca2] [CO32-]Ksp*从而减缓 CO2等温室气体增加造成的全球变暖。地球工程也叫气候工程，或气候干预[15-16]。地球工程可分为两大类 CO2移除和太阳辐射管理。CO2 移除是通过增加陆地或者海洋的碳汇减少大气 CO2浓度，或者直接将 CO2从大气移除以减缓温室效应。太阳辐射管理是通过减少到达地表的太阳辐射实现降温[17-20]。近年来，各国对太阳辐射管理地球工程研究的重视程度日益增加。太阳辐射管理地球工程主要有以下几种实施方式在太空中安装反射太阳光装置[21]、在平流层注射气溶胶[22]、增加海洋上空低云反照率[23]、增加地表反照率[24]等。从科学本质讲，这些方法都是通过减少到达地面的太阳辐射来降低大气和地表的温度。目前的地球工程研究，都处在模式模拟阶段。例如， Schmidt 等[25]发现实施太阳辐射管理地球工程将导致经向温度梯度减弱，全球降水减少，其中大陆的干旱较为显著。 Stjern 等[26]用 9 个模式模拟增加海洋低空云量，发现全球整体的温度将下降、降水将减少，但低纬度陆地的降水将增加。 Tilmes 等[27]用 12个模式分析发现实施太阳辐射管理地球工程导致的地表温度降低将使全球蒸发量减少，从而减少降水，同时强降水频率将降低。 Lunt 等[28]发现实施太阳辐射管理地球工程将导致 ENSO（厄尔尼诺与南方涛动）信号变弱，并且使大西洋翻转流增强。 Cao 等[29]的模拟研究发现，太阳辐射管理地球工程可以在百年以上的长时间尺度内抑制大气 CO2增加所产生的全球海洋温盐环流的变化。除了影响温度、降水、洋流等气候要素，太阳辐射管理地球工程还会通过气候影响海洋碳循环，进而影响海洋酸化。目前关于地球工程对于海洋酸化影响的研究很少[30-31]。 Matthews 等[30]发现相对于 CO2增加的情景，实施太阳辐射管理地球工程将使海表 pH 略有降低，但对文石饱和度变化的影响很小。 Tjiputra 等[31]模拟了在典型CO2 高排放的 RCP8.5 情景下通过在平流层注射气溶胶地球工程对海陆碳循环的影响。结果表明，相对于没有实施地球工程的 RCP8.5（代表大气中增加的 CO2产生的辐射强迫在 2100 年达到 8.5 1 期 43温作龙，等太阳辐射管理地球工程对海洋酸化影响的模拟研究W/m2）排放情景，实施地球工程后， 2100 年海洋碳汇将增加约 10，但海表 pH 几乎没有变化。本文在前人研究的基础上，使用维多利亚大学一个中等复杂程度的地球气候系统模式 UVic 模式（ University of Victoria Earth System Climate Model）来进一步分析太阳辐射管理地球工程对海洋酸化的影响。本研究模拟了在 CO2浓度增加的同时，实施太阳辐射管理地球工程情景下，海洋酸化的时空演变，详细探讨了地球工程对海洋酸化影响的物理机制，并定量分析了在地球工程情景下，不同环境因子变化对海洋酸化的影响和相对作用。本文的研究，有助于深入理解太阳辐射管理地球工程对于海洋酸化的作用，从而更好地全面评估地球工程对全球环境和气候的影响。1 模式与方法1.1 模式介绍本研究采用的 2.9 版本的 UVic 模式是中等复杂程度的地球气候系统模式，其海洋部分采用一个垂直方向有 19 层的三维海洋环流模式，同时包含动力/热力海冰模式[32]，海洋模式与能量 - 水分平衡大气模式耦合。大气和海洋模式的水平分辨率均为 1.8（纬度） 3.6（经度。海洋碳循环包括海气 CO2交换过程、基于海洋碳循环模型比较项目（ OCMIP）的无机碳循环过程[33]，以及一个基于简单海洋生态系统（包括营养物质、浮游动物、浮游植物、生物碎屑的相互作用）的有机碳循环。 UVic 模式还包括一个陆地植被和生物碳循环模式以及动力植被模式[34]。利用全球碳循环和物理气候模块的耦合， UVic 模式被广泛用于研究全球碳循环和气候变化之间的相互作用[35-37]，也被用来进行不同地球工程措施的模拟研究[30, 38-39]。1.2 模拟方法首先，为得到准平衡的气候系统和碳循环系统状态，将大气 CO2浓度设置为工业革命前的 280 10-6，运行模式 1 万年。在最后 100年，全球表面（陆地海洋）平均温度维持在（ 13.18 0.02）℃（正负偏差为模式模拟计算结果的波动幅度，这里表明温度已达稳态，海气CO2 通量和陆气 CO2 通量分别维持在（ 0.0 0.02）Pg C 和（ 0.0 0.06） Pg C，表明气候和碳循环系统已达准平衡态。将该准平衡态定义为代表工业革命前的 1800年，以这个准平衡态为初始态，接着以给定的CO2 浓度作为外强迫驱动模式。其中 1800 2015年的 CO2浓度来自历史观测数据[2]， 2015 2100年的 CO2浓度来自 RCP8.5 情景[1]。通过理想化的地球工程试验研究太阳辐射地球工程对海洋酸化影响的基本机制。用直接减少大气顶部的太阳辐射来模拟地球工程的影响[40]，并假设减少的太阳辐射正好抵消人为排放 CO2的辐射强迫，从而使得在地球工程情景下，全球平均表面温度与工业革命前基本保持一致，即太阳辐射管理地球工程抵消了 CO2增加引起的全球变暖。具体试验设计如下。本研究进行两种模拟试验 1 RCP8.5 情景下 1800 2100 年的模拟，称为 HistRCP8.5 模拟试验； 2 同样的 RCP8.5 情景，但从 2020 年开始实施太阳辐射管理地球工程，称为 SRM 模拟试验。在模式中通过直接减少太阳辐射来模拟地球工程的实施，为抵消 CO2造成的辐射强迫所需减少的太阳辐射由以下公式计算[40]等式右边代表大气 CO2浓度（ [CO2]）增加引起的辐射强迫，这里通过一个简化的经验公式计算[32,40]。F5.35 W/m2， ST代表每个格点的入射太阳辐射。ap代表行星反照率（～ 0.3，它是根据反射的太阳辐射除以入射的太阳辐射计算得到。 Kg代表为平衡 CO2辐射强迫所需减少的入射太阳辐射的比例。在 SRM 模拟试验中，从 2020 年实施太阳辐射管理地球工程开始，每个模式时步根据等式 6计算 Kg后将每个格点的太阳辐射乘以（ 1-Kg，这样可以保证全球平均减少的太阳辐射抵消了KgST 1 - ap Fln ， 6 CO气候变化研究进展 2019 年44气候变化影响CO2 的辐射强迫，从而使全球平均温度基本保持不变。假设地球工程从 2020 年开始实施，模拟中地球工程也可以从其他年份开始，但对气候变化和海洋酸化影响的基本机制不变。本研究中抵消的 CO2辐射强迫在 2100年达 8.5 W/m2。研究表明，一些地球工程手段可能达到同等的效果。 Niemeier 等[41]发现在 60 hPa 高度处以约 100 Tg S/a 的速率注射硫酸盐气溶胶可以将顶层大气辐射强迫减少至 8.5 W/m2。1.3 计算海洋酸化变量方法本文分析的关键海洋酸化变量有 pH、 [CO32-]和文石饱和度（W。根据 OCMIP-3 的化学程序①，利用 UVic 模式模拟输出的温度、盐度、溶解无机碳浓度、碱度（ Alkalinity，缩写为 Alk，表示海水中能被强酸中和的物质的总量 ，以及来自全球海洋数据分析项目（ Global Ocean Data Analysis Project,GLODP）观测数据[42]的磷酸盐浓度、硅酸盐浓度等变量，可计算 pH 和W，原理如下[4]。处于热力平衡的碳酸盐体系可用 6 个变量来描述 [H]、 DIC、 Alk、 [CO2]、 [HCO3-] 和 [CO32-]，其中 [CO2]为 CO2aq和 H2CO3的浓度总和。另外有碳酸的两级电离平衡常数表达式以及 DIC 和 Alk 的定义式基于上述 6 个变量、 4 个等式，可从其中任意两个已知变量计算出另外 4 个未知变量[43]。本研究的模拟试验中的 DIC 和 Alk 来自模式数据，将其作为已知变量计算 [H] 和 [CO32-]，进而得到① http//ocmip5.ipsl.jussieu.fr/OCMIP/phase3/。pH 和 W。根据计算结果，可以对模式模拟的海洋酸化的时空演变进行分析。2 结果分析2.1 不同因子对海洋碳酸盐化学影响的理论分析在分析模式模拟的海洋酸化对地球工程的响应前，根据 OCMIP-3的化学计算方法分析了温度、溶解无机碳、碱度、盐度这些环境因子对海洋酸化变量 pH 和W的影响。利用 OCMIP-3 的化学程序可计算各环境因子作为自变量，海洋 pH 和W分别作为因变量时的函数关系。计算结果表明，当溶解无机碳浓度固定时，温度升高将使 pH 降低而使W增大（图 1a、 1b。这是由于温度升高影响碳酸电离常数引起 pH 降低、 CO32-浓度增加，同时，温度升高使文石溶度积常数减小，根据公式 5，W将增大。当温度固定时，溶解无机碳浓度增加将使 pH 和W均降低，这是由于溶解无机碳浓度增加表示海水溶解 CO2量增加，故电离出更多 H，降低 pH。而根据公式 5， CO32-浓度减少导致W降低。当温度固定时，碱度增加将使 pH 和W都升高（图 1c、 1d。其中W升高是由于碱度增加导致 CO32-浓度增加。图 1e、 1f 表明 pH 和W对盐度变化的敏感度较小，即盐度变化对海洋酸化的影响较小。总体而言，温度和盐度通过影响平衡常数来影响 pH和W，而溶解无机碳和碱度通过影响 H浓度和CO32-浓度来影响 pH 和W。2.2 模式模拟结果 2.2.1 模拟与观测对比为检验模式模拟海洋碳循环的能力，选取溶解无机碳浓度、碱度、 pH 和W这 4 个变量，将GLODAP 实测数据与 HistRCP8.5 模拟试验同期的 1990 1999 年平均的结果进行对比。为与模拟试验数据的精度保持一致，这里将观测数据插值处理为 1.8（纬度） 3.6（经度）的分辨率。图K1* ， 7 [HCO3-] [H][CO2]DIC [CO2] [HCO3-] [CO32-]， 9Alk [HCO3-] 2[CO32-] [BOH4-] [OH-] - [H]。 10 K2* 。 8 [CO32-] [H][HCO3-]1 期 45温作龙，等太阳辐射管理地球工程对海洋酸化影响的模拟研究2 表明模式可较好地模拟各变量的分布，如各变量在海洋上层随纬度的分布变化均能较好地与观测数据吻合，其中溶解无机碳、碱度和 pH 的大值区与观测数据均能较好匹配。 图 2 显示 GLODAP 数据在北半球高纬度海域缺失，因此，为计算比较各变量的海洋整体平均值，需筛选模式数据与观测数据同时具有有效值的格点，以格点体积为权重加权求均值。结果表明，模式模拟变量的海洋整体平均值与观测数据接近，图 1 通过碳酸盐化学 OCMIP 计算程序得到的以各环境因子为自变量、 pH 和 W 为因变量的函数图Fig. 1 pH and aragonite saturation state W, as a function of environment factors based on the OCMIP project 如溶解无机碳和碱度的模拟值分别为 2245 和 2367 mmol/kg，观测值为 2254 和 2363 mmol/kg，误差仅为 0.40 和 0.17。模式也较好地模拟了W随纬度分布的变化（图 2g、 2h，但是对北半球中等深度海域的模拟误差较大，这可能是模式对海洋环流和海洋生物化学循环模拟的偏差造成的[44]。2.2.2 海洋表面酸化分析图 3 展示了 HistRCP8.5 模拟试验和 SRM模拟试验中 1800 2100 年大气 CO2浓度、全球2000 2100 2200 2300a溶解无机碳 /mmol/kg2000 2100 2200 2300溶解无机碳 /mmol/kgb3020100温度/℃3020100温度/℃2200 2300 2400 2500碱度 /mmol/kg2200 2300 2400 2500碱度 /mmol/kg30200温度/℃3020100温度/℃2000 2100 2200 2300溶解无机碳 /mmol/kg2000 2100 2200 2300溶解无机碳 /mmol/kg403632盐度 盐度38344036323834c de fpH W8.4 8.2 8.0 7.8 2.5 2.0 1.5 1.08.1 8.3 8.5 1.5 2.0 2.5 3.08.1 7.9 7.7 7.5 3.0 2.5 2.0 气候变化研究进展 2019 年46气候变化影响表面平均温度以及海表的年平均溶解无机碳浓度、碱度、 pH 和W随时间的变化。图 4 展示了21 世纪末（ 2090 2100 年的平均）海表 pH 和W的全球分布情况。在 HistRCP8.5 模拟试验图 2 模式模拟的 1990 1999 年平均和 GLODAP 数据计算的各海洋碳酸盐变量随纬度 - 海洋深度的分布Fig. 2 Latitude-depth distribution of ocean carbonate chemistry variables with UVic model simulation 1990-1999 and GLODAP observation1950 2000 2050 2100a2150 2200 2250 2300溶解无机碳b深度/m碱度1000c de fpH模式模拟 GLODAP 数据g h2000300040005000080˚S 40˚S 40˚N 80˚NEQ 80˚S 40˚S 40˚N 80˚NEQ2200 2240 2280 2320 2360 2400 244080˚S 40˚S 40˚N 80˚NEQ 80˚S 40˚S 40˚N 80˚NEQ80˚S 40˚S 40˚N 80˚NEQ 80˚S 40˚S 40˚N 80˚NEQ80˚S 40˚S 40˚N 80˚NEQ 80˚S 40˚S 40˚N 80˚NEQ7.7 8.27.8 7.9 8.0 8.1 8.30.6 2.41.0 1.4 1.8 2.0 2.8 3.2W深度/m100020003000400050000深度/m100020003000400050000深度/m100020003000400050000mmol/kgmmol/kg中， 1800 2100 年大气 CO2浓度不断上升，在2100 年达到 931 10-6（图 3a。到 2100 年，模式模拟的全球表面平均温度相对于 1800 年上升了3.8℃（图 3b。不断上升的 CO2 浓度导致海水吸1 期 47温作龙，等太阳辐射管理地球工程对海洋酸化影响的模拟研究收 CO2量增加，从而使海表溶解无机碳增加（图3c，同时海洋酸性增强。到 2100 年，相对于工业革命前，海表 pH 下降了 0.43，W下降了 1.77（图3e、 3f。实施地球工程，通过减少太阳辐射强迫抵消了 CO2浓度增长引起的辐射强迫，有效地降低了陆地和海表温度。在地球工程模拟情景下， 2100年的全球表面平均温度相对工业革命前仅增加0.26℃（图 3b。但是这种相对工业革命前的全球表面平均温度变化的空间分布并不均匀，热带地区相比工业革命前略有降温而高纬地区略有增温（图 5h。相比 HistRCP8.5 模拟试验， SRM 模拟试验由于实施地球工程导致海表温度降低（图5i、表 1，导致海水对 CO2 的溶解度增大，引起溶解无机碳浓度增加，进而使 pH 降低。但同时，温度降低对碳酸平衡常数的直接影响以及碱度的增加均使 pH 升高（图 5f、图 1a。在这些因子的综合影响下， 21 世纪末 SRM 模拟试验的海表pH 相对 HistRCP8.5 模拟试验基本没有变化（图3e、图 4。图 3f 和图 4 表明，相对于 CO2增加情景，在 CO2增加的同时实施地球工程将使海表W下降。结合 2.1 的分析， SRM 模拟试验相比于HistRCP8.5 模拟试验，海表的溶解无机碳浓度增加使海表W降低。同时，温度降低亦使W降低，但碱度增加使W升高。在这些因子的综合影响下，相对于 HistRCP8.5 模拟试验， SRM 模拟试验中， 2100 年全球海洋表面平均W下降了 0.16（图 3f。简言之，本模拟结果表明，相对于 CO2增加情景，实施太阳辐射管理地球工程可以使全球温度降低到接近工业革命前水平，但对海表酸化影响不大。这也表明海表酸化主要受大气 CO2浓度驱动，而对温度变化的响应相对不敏感。2.2.3 各环境因子对海表酸化的影响根据上文分析，实施地球工程后，相对于HistRCP8.5 模拟试验发生的海表物理化学性质的变化有温度降低、盐度基本不变、溶解无机碳浓度增加、碱度增加。这些环境因子全球范围的变化见图 5 和表 1。根据本文 2.1 的分析结果，这些环境因子的变化将通过各自的作用机制影响海表酸化。为进一步考察 SRM 模拟试验中某个环境因子相对 HistRCP8.5 模拟试验的变化对海洋酸化的影响，在利用模拟数据进行碳酸盐化学计算的过程中，还进行了一系列的诊断分析。例如，在利用 OCMIP 海洋化学诊断程序中，从 2020 年开始将海表的温度设定为 SRM 模拟试验的值，其他环境因子如溶解无机碳、碱度和盐度的值均设定为 HistRCP8.5 模拟试验中的值。以此计算相应的 pH 和W，并与 HistRCP8.5 模拟试验的结果进行对比 , 得到仅仅温度变化对 pH和W的影响。类似地，对溶解无机碳、碱度和盐度等环境因子对海洋酸化的影响分别采取如上设定方案，可以得到不同环境因子各自对海表 pH和W的影响。图 6 显示不同环境因子对海洋酸化变量的全球海洋表面平均值的影响，表 2 显示 21世纪末这些影响的具体值及其百分比，图 7 显示相应的 21 世纪末的空间分布。图 3 HistRCP8.5 模拟试验和 SRM 模拟试验1800 2100 年的结果Fig. 3 Time series of variables in HistRCP8.5 and SRM simulated experiments注黑色虚线表示地球工程开始实施的年份（ 2020 年。Hist RCP8.5大气CO2浓度/10-61800 1900 2000 2100 年海表溶解无机碳/mmol/kg全球表面平均温度/℃900700500300240023002200210020008.28.18.07.97.87.73.53.02.52.01.52400230022002100200017161514131800 1900 2000 2100 年SRMa bc de f海表碱度/mmol/kg海表W海表pH气候变化研究进展 2019 年48气候变化影响图 4 两种试验模拟的 2090 2100 年平均结果及其差值Fig. 4 Simulated results of two experiments as well as their difference in the periods 2090-2100a b cd e f40˚E 120˚E 160˚W 80˚W80˚NW40˚E 120˚E 160˚W 80˚W 40˚E 120˚E 160˚W 80˚W40˚E 120˚E 160˚W 80˚W 40˚E 120˚E 160˚W 80˚W 40˚E 120˚E 160˚W 80˚W40˚N80˚S40˚SEQpH80˚N40˚N80˚S40˚SEQ7.6 8.17.7 7.8 7.9 8.0 8.2-0.02 0 0.04 0.08 0.12 0.16-0.3 0-0.2 -0.1 0.2 0.30.10 2 31 4 5Hist RCP8.5 SRM SRM-Hist RCP8.5结合图 5、图 6 与图 7 可知， SRM 模拟试验相对于 HistRCP8.5 模拟试验，海表温度的降低导致海表的 pH 升高而W降低（图 6，图 7e、7f，表 2。这说明 pH 和 W 对温度变化的响应相反，与 2.1 节的理论分析结果一致。同时， SRM 模拟试验相对于 HistRCP8.5 模拟试验，海表溶解无机碳的增加将导致海表 pH 和W均降低（图 7a、7b，表 2，而海表碱度的增加将导致 pH 和 W 均升高（图 7c、 7d，表 2。这些均与本文 2.1 节根据海洋碳酸盐化学分析的结论一致。另外，实施地球工程引起的海表盐度变化并不显著（图 5l、表 1，对海表酸化的影响也很小（图 6，图 7g、7h，表 2。此外，图 6 和表 2 表明，实施地球工程情景下，各环境因子单独变化对 pH 影响的线性叠加几乎为 0，而对W影响的线性叠加使其下降了 0.16。这一结果基本等同于各环境因子同时变化时对 pH和W的协同影响，说明不同环境因子之间对海洋酸化影响的非线性相互作用很小。总体而言，相对于 HistRCP8.5 模拟试验，实施地球工程引起全球 pH 基本不变、W下降，但不同区域各环境因子的变化不完全相同，地球工程对海洋酸化的影响也不尽相同。图 5c 表明，相对于 HistRCP8.5模拟试验，实施地球工程后，低纬度地区相对于高纬度地区的溶解无机碳增加程度较大，导致W在低纬度减小程度相对较大（图4f。值得注意的是，在地球工程情景下北冰洋区域海洋W的变化与其他区域相反。这是由于实施地球工程引起的海表降温抑制了海冰的融化，导致相对于 HistRCP8.5 模拟试验， SRM 模拟试验中北冰洋海域吸收 CO2量减少，进而使海表溶解无机碳浓度降低，碱度增加，抑制北冰洋的酸化。另外，相对于 HistRCP8.5 模拟试验，地球工程引起北大西洋深水生成强度（ NADW）增 加（ 图 8，增加海洋吸收的 CO2向深海传输速率，因此北大西洋海表相对周边区域溶解无机碳较少（图 5c。同时，海表碳酸钙向下传输增加，导致碱度相对周边区域较小（图 5f。因此北大西洋溶解无机碳和碱度的变化对酸化的影响大致相互抵消。3 结论与讨论本研究利用 UVic 模式模拟太阳辐射管理地球工程对海洋酸化的影响，有以下结论。49温作龙，等太阳辐射管理地球工程对海洋酸化影响的模拟研究1 期 图 5 两种试验模拟的 2090 2100 年平均相对于与 1800 1810 年平均结果各变量的变化及两种试验 2090 2100 年平均结果的差值Fig. 5 Simulated results of two experiments in the periods 2090-2100 relative to the periods 1800-1810, as well as their difference in the periods 2090-2100a b cd e f40˚E 120˚E 160˚W 80˚W80˚ND 碱度40˚E 120˚E 160˚W 80˚W 40˚E 120˚E 160˚W 80˚W40˚E 120˚E 160˚W 80˚W 40˚E 120˚E 160˚W 80˚W 40˚E 120˚E 160˚W 80˚W40˚N80˚S40˚SEQ80˚N40˚N80˚S40˚SEQ0 40 80 120 160 200 240 mmol/kg-70 0-50 -30 20 40-10060 mmol/kg31 5 KHist RCP8.5 SRM SRM-HistRCP8.5g h iD 温度40˚E 120˚E 160˚W 80˚W 40˚E 120˚E 160˚W 80˚W 40˚E 120˚E 160˚W 80˚W80˚N40˚N80˚S40˚SEQj k l40˚E 120˚E 160˚W 80˚W 40˚E 120˚E 160˚W 80˚W 40˚E 120˚E 160˚W 80˚W80˚N40˚N80˚S40˚SEQ-5 -3 -10 0.80.4-0.1-1.2 -0.8 -0.4D 溶解无机碳D 盐度表 1 模式模拟的 1800 1810 年平均与 2090 2100 年平均的海表溶解无机碳、碱度、温度、盐度的值Table 1 Model simulated results in the periods 1810-1810 and 2090-2100模拟时段1800 1810 年2090 2100 年溶解无机碳 /mmol/kg202822022225232349233723469碱度 /mmol/kg温度 /℃ 盐度17.820.517.8-2.734.734.634.60试验HistRCP8.5SRMSRM-HistRCP8.5）气候变化研究进展 2019 年50气候变化影响图 6 由地球工程（ SRM 模拟实验）引起的海表各环境因子单独变化（相对于 HistRCP8.5 模拟试验）对 pH 和 W 的海表平均值的影响随时间的变化Fig. 6 Time series of geoengineering-induced effects SRM simulated experiment of each single environment factor change on pH and W relative to HistRCP8.5 simulated experiment2020 2040 2060 2100 年0.100.050-0.052080a b2020 2040 2060 2100 年2080-0.10-0.15-0.20DWDpH0.040.020-0.02-0.04-0.06环境因子单独改变的影响性叠加 环境因子同时改变的影响温度碱度盐度溶解无机碳碱度盐度温度溶解无机碳a bc d40˚E 120˚E 160˚W 80˚W80˚N溶解无机碳40˚E 120˚E 160˚W 80˚W40˚N80˚S40˚SEQDpHe fg h40˚E 120˚E 160˚W 80˚W80˚N40˚E 120˚E 160˚W 80˚W40˚N80˚S40˚SEQ40˚E 120˚E 160˚W 80˚W80˚N40˚E 120˚E 160˚W 80˚W40˚N80˚S40˚SEQ40˚E 120˚E 160˚W 80˚W80˚N40˚E 120˚E 160˚W 80˚W40˚N80˚S40˚SEQDW碱度温度盐度-0.16-0.08 0.160.080 -0.32-0.16 0.320.160图 7 2090 2100 年平均的由地球工程（ SRM 模拟实验）引起的海表各环境因子单独变化（相对于 HistRCP8.5 模拟试验）对海表 pH 和 W 空间分布的影响Fig. 7 Geoengineering-induced effects SRM simulated experiment of each single environment factor change on pH and W relative to HistRCP8.5 simulated experiment in the period 2090-51温作龙，等太阳辐射管理地球工程对海洋酸化影响的模拟研究1 期 表 2 2090 2100 年平均的由地球工程引起的海表各环境因子单独变化（相对于 HistRCP8.5 模拟试验）对 pH 和 W 的海表平均值的影响及其百分比（括号内数字 ，以及各环境因子同时变化的协同影响Table 2 Geoengineering-induced effects and their percentages of each single environment factor change on pH and W in the periods 2090-2100, and the effects of all environment factors changing simultaneously海洋酸化变量pHW溶解无机碳-0.0584 -48.9-0.1907 -63.2碱度 温度 盐度 单独影响的叠加 协同影响0.0217 18.10.0745 24.70.0398 32.5-0.0365 -12.1-0.0006 -0.50.0000 00.0016 1.2-0.1528 -50.60.0027-0.1590图 8 HistRCP8.5 模拟试验和 SRM 模拟试验的 1800 2100年北大西洋深水生成强度（ NADW）随时间的变化Fig. 8 Time series of NADW in HistRCP8.5 and SRM simulated experiments1800 1900 2100 年2018162000HistRCP8.5NADW/Sv1412SRM1 实施太阳辐射管理地球工程可以抑制全球变暖，但由于并未直接干预大气 CO2浓度，因此对海洋酸化的影响不大。在 HistRCP8.5模拟试验中，到 2100 年，相对于工业革命前水平， pH 下降了 0.43，W下降了 1.77。相对于HistRCP8.5 模拟试验，在 2100 年，大气 CO2 增加的同时减少太阳辐射强度的 SRM 模拟试验中，全球海洋表面平均的温度降低 2.7℃， pH 基本维持不变（增加了 0.003，W降低了 0.16。以上表明海洋表面酸化主要受大气 CO2浓度驱动，而对温度变化的响应相对不敏感。2 太阳辐射管理地球工程通过影响溶解无机碳、碱度、温度、盐度等环境因子对海洋酸化产生影响。相对于 HistRCP8.5 模拟试验，实施地球工程