基于海洋放射性核素时空演化体系的海洋核安全评估技术

本文指出全面构建海洋中放射性核素本底基线的时空演化体系是海洋核安全评估的基石,提出本底基线法、活度限值法和剂量限值法三种海洋核安全评估技术,并应用于福岛核事故后污染最严重的核心海区——港口区,定量剖析港口区的海洋核污染历史与现状,有利于评估过去12年以来日本福岛核电站修复进程中相关修复措施的有效性。之后,本文在利用海洋数字孪生技术的基础上,针对上述三种海洋核安全评估技术对应提出从寻找人类核活动历史的可靠“档案馆”、健全海洋放射性核素的基准/标准限值和探索长期低剂量生物辐射效应与风险三个角度展望未来海洋核安全评估技术需求与发展方向,以期为国内外新形势下我国海洋核安全评估与管理提供一定借鉴。

南大洋人为二氧化碳的吸收、分布、储存与输运研究进展

海洋吸收了工业化以来大约30%人为二氧化碳(简称人为碳,Anthropogenic carbon dioxide,Cant)而显著地影响了全球海洋碳源汇格局。据估计,南大洋35°S以南区域吸碳潜力占全球大洋高达40%左右,但该估计也被认为存在着很大的不确定性,主要是因为缺乏对Cant在南大洋吸收、分布、储存和输运方面的系统性认知。本文基于国内外有关南大洋碳吸收和储存及输送等数据库和研究,分别从海-气界面CO_(2)通量角度和海洋内部Cant的分布、储存和输送等方面,综述归纳了南大洋开阔大洋区及近岸区碳源汇格局的研究进展;探究目前在南大洋碳汇模型与实测数据存在明显差距原因,以及季节性冰区碳源汇强度估算不确定性较大的问题;讨论了相关方法在人为碳计算中的优点与不足以及影响人为碳储量的主要输送机制。本文将有助于对南大洋海-气CO_(2)通量、源汇格局变异以及输出过程的进一步了解,以及更准确估算南大洋乃至全球海洋碳汇。

九龙江的碳酸盐体系、CO_2分压及其调控

于2011年枯水期和丰水期调查了九龙江的溶解氧、pH、溶解无机碳（DIC）和总碱度（TAlk）,并计算水体CO2分压（pCO2）。九龙江溶解氧饱和度平均为67±18%（枯水期）和57±12%（丰水期）,最低只有10%（枯水期）和35%（丰水期）;pH为7.08±0.12（枯水期）和7.22±0.11（丰水期）,最低只有6.88（枯水期）和6.98（丰水期）;DIC为1027±620μmol/kg（枯水期）和820±340μmol/kg（丰水期）;TAlk在枯水期为885±570μmol/kg,比相应DIC低140±70μmol/kg。水体TAlk受控于流域地质背景和化学风化的影响,而DIC既包含流域风化过程的产物HCO3^-,也包含水柱呼吸过程和沉积物中其他生物地球化学过程释放的游离CO2。九龙江pCO2高达3470±1640μatm（枯水期）和3590±1410μatm（丰水期）,超过大气平衡水平8.9-9.2倍。过饱和CO2与表观耗氧量的耦合分析表明,水柱呼吸作用只能说明九龙江高pCO2的66%-94%。

中国南大洋海洋大气化学研究进展

海洋大气化学是一门海洋化学与大气化学交叉的新学科。中国的南大洋海洋大气化学研究与我国的南极考察事业同步成长。30多年来,随着南极科学考察的经验积累和数据集成,我国的南大洋海洋大气化学关键过程研究即大气-海洋生物地球化学循环,碳、氮、硫、磷、铁等的海气交换研究都有了长足的进步。与气候变化关系密切的碳、氮、硫的海-气循环等研究,取得了一批新的认知和成果,引起国际学界的关注。自20世纪80年代早期开始至今,我国已开展了三十多次南极科学考察,在这些考察中开展了南大洋大气气溶胶物质来源研究,探究了大气-海洋生物地球化学的一些关键过程,估算了硫、磷、氮、铁的海气交换通量。随着国家重大计划"南极在全球变化中的响应与反馈作用"项目实施及后续研究的开展,对全球变化的敏感要素碳、氮、硫、铁在南大洋的源汇特征及其环境和气候效应等进行了研究,对其有了更深的了解。我们还对南大洋海冰区碳汇格局演变,DMS、MSA、N_2O、Fe等的海气交换过程及其对生态环境的影响有了新认知。同时,在对上述化学物种的实时走航观测关键技术研发上也取得了重要突破,为未来开展相关研究提供了坚实的技术支持;在站区大气污染特征分布上进行了深入探讨,为了解人类活动对站区环境的影响提供了评估依据。

西北冰洋二氧化碳分压变异与海冰变化的关系

北极海冰消退造成了开阔水域面积的增加,进而促进表层海水吸收更多的二氧化碳(CO_(2)),导致表层CO_(2)分压(pCO_(2))呈上升趋势。然而,目前还缺少对于海冰消退过程中pCO_(2)的显著变化及其与海冰联系的相关研究。本研究基于2008年中国第三次北极科学考察数据,发现西北冰洋夏季海表pCO_(2)的分布呈现出陆架区低海盆区高的特征,整个海区总体上为大气CO_(2)的汇,其中陆架区碳汇通量为13.8 mmol·m^(-2)·d^(-1),而广阔的加拿大海盆区仅为3.7 mmol·m^(-2)·d^(-1)。本研究重点分析了海盆区高pCO_(2)和低碳汇的驱动机制,根据质量平衡模型模拟了加拿大海盆区在整个海冰融化过程以及随开阔海域时间延长的情景下,海表pCO_(2)的响应变化趋势。结果表明:(1)在融冰过程中,海-气CO_(2)交换驱动pCO_(2)呈缓慢增加趋势;(2)在海冰完全融化后,伴随着海面暴露在空气中时间的延长,海-气CO_(2)交换与升温共同作用使pCO_(2)迅速增加,且增加速率高于融化阶段。

常数和变化积雪密度方案诊断计算积雪厚度的敏感性研究

海冰上积雪的分布是影响海冰与大气能量交换以及气候变化的重要因素。当前的CMIP6气候模式(如CESM2和NESM3)采用定常的积雪密度,而专注于模拟雪厚度和密度变化的模式(如SnowModelLG)则采用经验的变化雪密度公式。对比CryoSat-2卫星观测的积雪厚度发现,从积雪厚度的空间分布与平均值难以判断出变化雪密度对北冰洋积雪厚度模拟产生何种影响,对于变化雪密度模拟积雪厚度的改进及机制有待进一步研究。本文采用随气温、风速等因子变化的雪密度经验公式模型,并利用SNOTEL单站的长时间序列观测资料,对不同影响因子设计如下敏感性实验:A.考虑所有气象因子的变化雪密度模型;B.常数雪密度模型;C.在A中不考虑风对密实化的影响;D.在A中不考虑气温对密实化的影响。实验A、B、C和D诊断计算的2018年11月1日至2019年5月10日积雪厚度的均方根误差分别为4.2 cm、4.8 cm、25.9 cm和4.2 cm。结果表明,变化雪密度方案A模拟的积雪密度、厚度在平均值上与常数雪密度的结果接近,但其模拟的积雪厚度均方根误差最小,并且能够模拟出积雪厚度在几天到十几天时间尺度上的高频变化,同时减小了这种高频变化对应时段雪厚模拟结果的相对误差,二者具有一定的相关性。此外,还发现气温变化对积雪密实化的影响远小于风。

北极季节性海冰区-融池系统的碳酸盐体系及其碳汇研究进展

北极海冰-融池系统是地球系统关键组成部分。融池是极地海冰区域春夏季存在的季节性特征,面积可以占海冰表面积的30%以上。海冰和融池的碳酸盐体系对于高纬度地区CO_(2)的源汇平衡十分重要。当前对于融池碳酸盐体系的了解极其缺乏,为了促进今后的相关研究,对海冰和融池的碳酸盐体系及其碳汇情况进行了概述。一年生海冰和融池每年都遵循类似的季节演化。对于融池,在形成初期初级生产增强以及碳酸钙(CaCO_(3))晶体的溶解促进了海冰和融水中总碱度(TA)、总溶解无机碳(DIC)和CO_(2)分压(pCO_(2))的强烈下降,同时盐卤水的碳酸盐系统主要受到融池水渗透的控制。随着时间的推移,融池水的pCO_(2)在海-气交换作用下逐渐增加至趋近大气平衡。融水的持续供应使得融池水的pCO_(2)波动并低于大气值,直至季节性海冰完全衰退。另外,研究者基于有限的数据估算出海融池系统在一年内可以提供约10.4 Tg C的碳吸收。最后,展望了海冰-融池体系碳酸盐系统未来研究的发展方向,提出了亟需解决的科学问题。

北冰洋太平洋扇区碳循环过程对环境变化响应的研究进展与展望

全球碳增汇需求高涨,海冰消退后的北冰洋被期待是一个主要的潜在碳增汇区。北冰洋太平洋扇区因受控于楚科奇海及其邻近海域较高的海洋固碳效率和碳深海封存量,在整个北冰洋碳循环中起着举足轻重的作用。开展该海域碳循环过程对环境快速变化的响应机制研究是实现北冰洋碳汇精准预测的基础。本文重点阐述了楚科奇海及其邻近海域碳循环过程(即海洋对大气二氧化碳的吸收、生物固碳、太平洋入流携带碳经陆架生物地化过程后向深海输出封存的陆架泵)对北冰洋环境快速变化的响应,并提出未来研究需要聚焦的关键科学问题。

南大洋酸化过程及其变化趋势研究进展

近30年的集成研究表明,南大洋吸碳能力从20世纪90年代开始出现明显的下降,但是这种减弱趋势在2002年后又开始转变为显著增强的趋势,展现出一种吸收大气中人为CO2更强的能力,这种态势伴随着南大洋的酸化进一步增强。观测表明,开阔大洋(45°S-50°S)在1991-2000年间的pH下降速率为每年0.0007,文石饱和度Ω文石以每年0.015的速率上升,而在2001-2011年间pH下降速率增大为每年0.0024,Ω文石转变为每年0.017的下降速率。在南大洋近岸海域,海洋酸化程度区域性差别很大,影响因素也更加复杂。例如,普里兹湾在1994-2010年pH和Ω文石分别下降了0.11和0.30,威德尔海在1978-2008年间的表层海水pH下降速率为每年0.0011,Ω文石下降速率为每年0.002。基于现场观测数据和遥感反演参数方法,从点线观测数据评估扩展到海区整体范围的南大洋酸化趋势评估取得了重要进展。而近期改进的模型模拟与观测结果比较在量级和更大尺度空间上都取得了较好的结果。本文对地球系统模型(ESM)预测的包括RCP 8.5等不同情境下的南大洋酸化趋势以及海洋酸化对南大洋生态系统的效应进行综合评述,结果表明到本世纪末南大洋大部分海域都将处于文石不饱和状态,预示着南大洋的酸化进展将会严重影响海洋生物地球化学变化和损坏整个南大洋的生态系统。因此,对南大洋开展海洋酸化过程、驱动机制和预测研究以及生态效应评估已严肃地摆在全人类的面前。

近岸养殖区叶绿素a反演技术的研究进展

针对传统的水体中叶绿素a浓度反演方法在光学特征复杂的近岸养殖区不适用的问题,从反演原理和数据源出发,归纳了几种当前被广泛使用的叶绿素a浓度反演方法,主要包括基于经验的统计回归方法、半经验半理论的水体物理辐射传输模型方法和机器学习方法等,在此基础上分析了这些方法的优缺点。最后总结了目前叶绿素a浓度反演研究所面临的困难和挑战,展望了未来研究方向,以期为更精确地反演水体叶绿素a浓度提供参考,服务于近岸水质监测和水产养殖管理工作。

北冰洋海洋酸化和碳循环的研究进展

海洋响应大气CO_2升高,引起海水pH和碳酸钙饱和度下降,这一过程称为海洋酸化.海洋酸化可能会对海洋生物和生态系统造成严重危害.在过去的20年中,全球气候变化引起北冰洋发生一系列快速变化,包括:海表温度上升、海冰快速后退、太平洋入流水增多、北冰洋和大气环流异常、淡水储量增加、初级生产力变异等.全球气候变化所诱发的北极快速变化预计将放大北冰洋海洋酸化,通过CO_2吸收和碳输送,北冰洋在响应气候变化较其他大洋更快速和显著.本文以北冰洋近岸碳吸收和碳封存研究,海盆区域表层海水p CO_2变异机理研究,20年来西北冰洋的酸化水体扩张现象为主线,综述了北冰洋快速融冰背景下的区域碳循环研究进展,并分析了其酸化水体增长与过去20年的环境和气候变化之间的联系.

北冰洋酸化指标——海水文石饱和度变异的研究进展

文石饱和度(Ω文石)是评估海洋酸化及对海洋钙质生物影响的重要指标之一。海洋吸收CO2引起海洋酸化,导致Ω文石显著下降。模式研究预测表明北冰洋表层海水将成为最先出现Ω文石<1的世界大洋。通过对北冰洋Ω文石有关研究进行归纳总结,重点阐述了北冰洋Ω文石的分布特征,讨论海—气CO2交换过程、融冰过程以及生物过程等因素对北冰洋Ω文石分布的影响,展望未来的变化趋势并提出一些关键的科学问题。

快速融冰背景下北冰洋夏季表层海水CO2分压的变异假设

近几年来,夏季北冰洋融冰出现明显加快的态势.融冰过程引起了表层海水CO_2浓度的变化,在2008年中国国家北极科学考察(CHINARE)航次通过深入到88°N的北冰洋中心区的170°W断面观测,发现表层海水中CO_2在冰覆盖下,融冰区和融冰后开阔水域等不同状况下出现了明显的变异性.针对所观测到的表层海水二氧化碳分压(pCO_2)变异性现象,我们提出了北冰洋快速融冰情景下的表层海水pCO_2变异的"低-低-高"假设,即海冰覆盖下的海水是"低"p CO_2,刚融冰的海水是"低"pCO_2,而融冰后的开阔海水会出现"高"pCO_2.出现这种"低-低-高"pCO_2变异现象是由不同驱动过程引起的.冰覆盖下海水低pCO_2,控制因素可能是水体受到不同水团的混合过程、温度变化、冰-水CO_2交换和生物冰藻微吸收CO_2过程控制,其主要诱因还需要进一步探索;现场观测表明刚融冰时海水的低pCO_2主控因素可能是生物的CO_2吸收,以及CaCO3溶解共同作用;而融冰后开阔海水的高CO_2已被论证为由于大气中CO_2快速进入海水和水体增温引起的.

北冰洋快速酸化过程、机制及预测研究

海洋酸化危害海洋生物多样性和生态系统平衡,是当前人类社会面临的重大环境问题。生态最脆弱和气候变化最敏感的北冰洋在快速融冰下出现了快速酸化,其酸化程度、扩张范围和发展趋势成为全球海洋酸化最严重的海区,被认为是全球海洋酸化的领头羊。北极快速酸化将损害海洋生物尤其是翼足目类海螺这一北极三文鱼和鉢鱼的重要食物,进而对北极生态系统造成严重影响。

南大洋酸化指标--海水文石饱和度变异的研究进展

南大洋因具有较强的CO_2吸收能力,其海洋酸化问题较全球其他海域尤为突出。文石饱和度(Ω_(文石))作为衡量海洋酸化状况的指标之一,在评估海洋钙质生物的生存环境中发挥着重要的作用。然而,由于南大洋复杂的气候环境,在这一区域开展海洋酸化和Ω_(文石)的研究异常困难。因此,为了便于今后在南极周边海域开展海洋酸化的研究,了解南大洋海洋酸化的现状,对南极周边海域Ω_(文石)的研究进行了概述。南大洋表层海水Ω_(文石)具有明显的时空分布特征,主要体现为近岸海域Ω_(文石)值一般低于开阔大洋海域,且具有夏季高、冬季低的季节变化特征。在垂向分布上,海水Ω_(文石)值呈现由表层向深层递减的趋势。此外,由于受到深层水团的通风和涌升的影响,南大洋Ω_(文石)等值线深度随纬度升高而变浅。海水Ω_(文石)受海冰融化、海—气CO_2交换、浮游植物活动以及水文等诸多因素的共同控制。最后,对南大洋未来海洋酸化的变化趋势进行展望,提出亟需解决的科学问题。

北冰洋太平洋扇区碳循环变化机制研究面临的关键科学问题与挑战

目前全球节能减排任务艰巨,海冰消退后北冰洋碳汇能力增加被期待。楚科奇海及其临近海域拥有全球海洋较高的生物固碳率和深海埋存量,在整个北冰洋碳循环中举足轻重。厘清楚科奇海碳循环过程对环境快速变化的响应机制是北冰洋碳汇能力预测的基础。然而,楚科齐海碳吸收、封存对气候变化的响应尚存争议,碳循环过程的主控因子尚不明确。建立高分辨率的海洋—海冰—碳循环模型,可以探究海冰消退对楚科奇海海—气界面CO_2吸收通量和垂直碳沉降通量的影响,认识入流与陆坡涌升增加对楚科奇海CO_2源/汇格局的作用,探讨碳的深海输运埋藏对环境变化的响应,评估楚科奇海陆架泵效率及其在全球碳汇中的作用。基于气候环境快速变化下楚科奇海域碳循环研究所面临的挑战,提出了构建北冰洋碳循环模型的基本思路及拟解决的关键科学问题。

自主海洋观测时代背景下南大洋海气二氧化碳通量估算尚存争议

The Southern Ocean,defined here as the vast region south of 35°S,plays an outsized role in the oceanic carbon cycle,accounting for 40%of the oceanic uptake of anthropogenic CO_(2)from the atmosphere[1].The meridional overturning circulation in the Southern Ocean replenishes the upper ocean with nutrients through upwelling of deep waters and facilitates the biological uptake of atmospheric CO_(2)towards lower latitudes.