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多年冻土是世界上最大的陆地生态系统碳库,在全球碳循环和气候变化中起着举足轻重的作用。全球变暖背景下北半球多年冻土的变化以及有机碳的释放,已成为影响全球气候变化走向的重要科学问题。本文使用17个CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5)模式确定了1.5℃及2℃温升的发生时间;基于观测资料,验证了陆面模式CLM4.5(Community Land Model 4.5)和几种半经验半理论方法(Kudryavtsev方法、Nelson方法、Stefan方法)对北半球多年冻土的范围及活动层深度的模拟能力,并使用上述方法估算了1.5℃和2.0℃温升条件下北半球多年冻土的变化以及多年冻土区域3.8 m深度内有机碳的释放量。本文得到的主要结论如下:(1)1.5℃和2℃温升的发生时间在不同气候情景下不同。多模式集合平均结果表明,全球平均地表温度在三种排放情景下(Representative Concentration Pathways:RCP2.6,RCP4.5,RCP8.5)分别于2027、2026、2023年稳定达到1.5℃阈值。RCP2.6情景下,全球平均地表温度增幅将不会达到2℃阈值;在RCP4.5和RCP8.5情景下,全球平均地表温度增幅稳定达到2℃的时间分别为2046年和2037年。集合平均结果代表的气候变化特征远远大于各模式间的噪声,其预估结果较为可信。(2)各方法对历史时期北半球多年冻土范围和活动层深度的模拟存在较大的差异。CLM4.5仅能模拟出部分连续性和不连续性多年冻土(14.63×10~6 km~2),严重低估了北半球多年冻土的面积,该误差可能与模式对次网格尺度系统的模拟能力以及驱动数据的质量有关。Kudryavtsev方法与Nelson方法模拟的多年冻土范围较国际冻土协会(International Permafrost Association,IPA)发布的多年冻土地图略微偏小,多年冻土面积分别为18.28×10~6 km~2和18.48×10~6 km~2。Stefan方法、Kudryavtsev方法和CLM4.5模拟的活动层深度与观测值均呈显著的正相关,在量级上存在较大差异,平均偏差分别为60.27 cm,23.55 cm和5.49 cm。由于土壤数据深度限制(3.8 m),各方法对于深层多年冻土及活动层深度的模拟存在局限性。(3)当全球升温1.5℃和2℃时,三种方法预估的北半球多年冻土面积的平均值约为13.41×10~6 km~2和11.73×10~6 km~2,较历史时期约减少3.52×10~6 km~2(21.99%)和5.4×10~6 km~2(31.98%),多年冻土南界将北移约1°~5°。不同方法对多年冻土面积的预估结果存在较大的差异,在同一排放情景下的不确定性约为4.42~5.85×10~6 km~2;三种方法的预估结果在不同排放情景间的不确定性较小,仅为0.08~0.69×10~6 km~2。全球变暖背景下,北半球大部分区域的活动层深度较历史时期显著加深。(4)历史时期北半球多年冻土区域3.8 m深度内的有机碳储量约为287.63~346.22Gt。全球升温1.5℃及2℃时,多年冻土将分别释放21.08~34.62Gt和22.18~42.99 Gt有机碳。多年冻土区域有机碳储量以及释放量的不确定性可能与土壤有机质数据的质量、活动层深度与多年冻土范围的估算有关。