2022年8月北黄海北部溶解甲烷分布、海-气交换通量及影响因素

科学评估陆架边缘海溶解甲烷(CH_(4))的分布及海-气交换通量对于认识陆架边缘海CH_(4)的释放对大气CH_(4)的区域性贡献具有重要意义。基于2022年8月的现场调查数据和资料,研究北黄海北部海水溶解CH_(4)的分布、海-气交换通量及影响因素。结果表明:研究海域溶解CH_(4)浓度为4.0~63.3 nmol/L,饱和度为168%~2 360%,高值区位于鸭绿江口附近海域,随着离岸距离的增加表层海水溶解CH_(4)浓度迅速降低。鸭绿江等陆源冲淡水的输入耦合海水及沉积物有机质的降解致使近岸海域海水CH_(4)升高;陆源冲淡水与海水混合过程中海水CH_(4)的氧化消耗也是控制CH_(4)浓度和分布不容忽视的重要过程。离岸海域海水及沉积物有机质厌氧降解耦合黄海冷水团的作用使得底层海水溶解CH_(4)浓度高于表层海水。研究海域海-气CH_(4)交换通量为18.4~578.8μmol/(m^(2)·d),是大气CH_(4)的源;鸭绿江口附近海域海-气CH_(4)交换通量高于离岸海域。由此可见,受陆源冲淡水输入的影响研究海域溶解CH_(4)浓度和海-气交换通量具有显著的区域性差异,且变幅高于世界其他海域;加强河口以及近海调查研究对于准确评估陆架边缘海CH_(4)的排放,明确CH_(4)排放源项的构成及制定CH_(4)减排的有效措施至关重要。

南海海水中DO的平面、垂直分布以及海-气交换通量

根据1998年7月和1999年1月南海两个航次的综合调查结果,对溶解氧(DO)的平面、垂直分布以及海-气交换通量进行了研究,结果表明:表层海水是DO浓度最高的含氧层,在次表层20～75 m处普遍存在着DO浓度的最大值(440 μmol/dm3),同时该层还出现了pH值的最大值和活性磷酸盐浓度的最小值,其位置在温跃层的下界附近.对夏季表层DO和活性磷酸盐进行相关性分析可知,其相关系数为-0.915(n=288),两者呈显著负相关;同时,DO和pH值垂向变化趋势相一致,相关系数为0.951(n=288),两者呈强烈正相关.通过计算,得到1998年夏季和1999年冬季海面溶解氧的海-气交换通量:夏季释放通量为-0.346～0.226 mol/(m2·d);冬季为-0.234～3.123 mol/(m2·d).由于夏季南海海水生物的初级生产力相对要高于冬季,因此夏季溶解氧向上通量的区域较冬季广,同时,海-气交换的通量随区域的变化也有所不同.

冬季北黄海溶解态CH_4和N_2O的浓度分布及海-气交换通量

2014年1月开展了北黄海表层海水中溶解态甲烷(CH_4)和氧化亚氮(N_2O)浓度及海水温盐等参数的观测研究.结果显示,冬季北黄海表层海水溶解态CH_4和N_2O的浓度范围分别为4.3—7.3 nmol·L-1和12.8—14.9 nmol·L-1,饱和度范围分别为150%—255%和128%—149%,是大气CH_4和N_2O的源.通过针对性开展温盐数据校正,区域和全球尺度大气CH_4和N_2O摩尔分数参考值的对比计算等关键过程的研究,优化提高了溶解态CH_4和N_2O饱和度及海-气交换通量计算方法和结果的准确度,得出1月份海-气CH_4和N_2O交换通量分别为6.3±5.1μmol·m-2·d-1和9.4±8.0μmol·m-2·d-1(W2014).并结合文献报道的春、夏、秋季节观测结果,将北黄海N_2O年释放量修订为1.02×10-2Tg.

夏秋季南海北部陆坡区氧化亚氮的分布、产生及海-气交换通量

分别于2014年10月和2015年6月对南海北部陆坡区进行了调查,研究了其溶存氧化亚氮(N_2O)的分布、产生并估算了其海-气交换通量。结果表明:秋季南海北部表层海水中溶解N_2O浓度为(8.19±0.79)nmol/L,饱和度为132.5%±13.4%;夏季表层海水中溶解N_2O浓度为(7.72±0.56)nmol/L,饱和度为135.5%±9.7%。夏季由于受到珠江冲淡水的影响,表层N_2O浓度随盐度升高呈降低趋势,秋季调查区域东北部受到穿过吕宋海峡的黑潮分支表层水的影响,N_2O浓度较低。结合文献资料,南海北部陆坡区表层N_2O浓度季节变化特征为春末>秋季>夏季,同一季节,南海陆坡区的N_2O浓度高于其他区域。温度是影响N_2O分布的重要因素,ΔN_2O与表观耗氧量(apparent oxygen utilization,AOU)和NO_3~ˉ的显著相关说明硝化作用是南海水体中N_2O产生的主要机制,由此估算硝化作用的N_2O产率分别为秋季0.033%,夏季0.035%。利用N2000和W2014公式分别估算了该区域秋季和夏季N_2O的海-气交换通量:秋季为1.81—23.81(11.11±6.52,平均值±SD,下同)(N2000)和1.73—24.38(11.30±6.81)(W2014),夏季为1.01—21.57(7.04±6.10)(N2000)和0.75—22.69(6.94±6.49)(W2014),单位均为μmol/(m^2·d)。初步估算出南海北部陆坡N_2O释放量为0.055Tg/a,约占全球海洋总释放量的0.39%,远高于其面积比,说明南海北部陆坡是N_2O释放的活跃海域,是大气N_2O的重要源。

桑沟湾春、秋季溶存CH_4的分布及海-气交换通量

分析2013-10,2014-05和2015-05对桑沟湾3个航次的调查中采集的表、底层海水样品,研究该海域海水中溶解CH_4的分布特征及海-气交换通量。结果表明:春、秋季桑沟湾水体中CH_4浓度范围为3.0356.4nmol·L^(-1),底层浓度高于表层。由于水温的季节变化和陆源输入的影响,秋季表、底层平均CH_4浓度是春季的37倍。受养殖活动的影响,贝藻混养区表、底层CH_4均高于其他养殖区和湾外。2013-10,2014-05和2015-05桑沟湾表层海水CH_4的平均饱和度分别为(2 704±2 532)%,(330±276)%和(858±417)%,表现为秋季高于春季。根据W2014公式估算出桑沟湾春、秋季表层海水CH_4海-气交换通量范围为3.919.9μmol·m^(-2)·d^(-1),根据N2000公式估算出春、秋季表层海水CH_4海-气交换通量范围为5.520.6μmol·m^(-2)·d^(-1),表明春、秋季桑沟湾是大气CH_4的源区。

春季北黄海辽东半岛东部邻近海域溶解甲烷的分布、影响因素及海-气交换通量

本文基于2022年5月现场调查,研究了北黄海辽东半岛东部邻近海域溶解甲烷(CH_(4))的分布、影响因素及海-气交换通量。结果表明,该海域溶解CH_(4)浓度为3.2~11.2 nmol/L,饱和度为103%~364%,高值区位于鸭绿江口近岸海域,随着河口向海延伸,表层海水溶解CH_(4)浓度逐渐减小,而底层海水溶解CH_(4)浓度升高;鸭绿江冲淡水的输入致使近岸海域溶解CH_(4)浓度显著升高,而沉积物有机质降解使得离岸海域底层海水溶解CH_(4)浓度升高;该海域海-气CH_(4)交换通量为0.7~61.1μmol/(m^(2)·d),是大气CH_(4)的源,近岸海域显著高于离岸海域。鸭绿江冲淡水的输入即使在平水期(5月)已经对邻近海域溶解CH_(4)的影响非常显著,因此,河口等近岸海域海-气CH_(4)交换通量的研究对于评估我国陆架边缘海对大气CH_(4)的贡献至关重要。

下三横山岛养殖海域海-气界面CO_(2)交换通量的空间分布特征及影响因素

为研究下三横山岛养殖海域海-气界面CO_(2)交换通量及影响因素,从2020年7月开始,在该海域开展为期一年(4次)的监测和分析,主要剖析其温度、盐度、pH、总碱度(TA)及水体中溶解无机碳(DIC)、溶解有机碳(DOC)、颗粒有机碳(POC)分布差异,估算下三横山岛养殖海域表层海水CO_(2)分压(pCO_(2))及海-气界面CO_(2)通量(FCO_(2))值,并分析pCO_(2)的影响因素,探讨下三横山岛该养殖海域海-气界面CO_(2)交换通量。结果表明,下三横山岛海域表层海水4个季节的温度、盐度、pH、TA、DIC、DOC、POC的分布在季节上差异极显著(P<0.01)。下三横山岛海域pCO_(2)全年的变化范围为29.93~836.80μatm,FCO_(2)值的变化范围为-45.67~216.50 mmol·(m^(2)·d)^(-1)。pCO_(2)与FCO_(2)值四季变化显著(P<0.05),全年碳分布格局有较大差异,其中,仅春季为碳汇,碳汇强度为(-32.79±3.73)mmol·(m^(2)·d)^(-1),夏、秋、冬季皆为碳源,碳源强度分别为(14.74±33.35)mmol·(m^(2)·d)^(-1)、(18.39±6.63)mmol·(m^(2)·d)^(-1)、(50.34±9.27)mmol·(m^(2)·d)^(-1),其中,春、夏、秋季FCO_(2)最低值均出现在鱼类养殖区,最高值出现在贻贝养殖区。养殖区内的生物活动是影响下三横山岛海域表层海水pCO_(2)的重要因素。研究结果为下三横山岛多营养层级综合养殖的碳汇研究提供了前期数据及理论参考。

大连湾表层海水CO_2、CH_4和N_2O的分布及海-气交换通量

根据2009和2010年两个航次对大连湾进行的大面调查,测定了不同季节表层海水中CO2分压、CH4和N2O的水平分布。结果表明,大连湾表层海水pCO2的季节变化不大,秋冬两季表层海水pCO2范围分别为44.00-51.55 Pa和35.45-56.21 Pa,统计平均值分别为47.77 Pa和40.05 Pa;大连湾表层海水中溶解CH4浓度的季节变化不大,但其饱和度差异明显,秋季远高于冬季;海水中溶解N2O饱和度的季节变化不大,浓度变化较显著,冬季远高于秋季。利用Liss和Merlivat公式和Wanninkhof公式分别估算了大连湾秋冬2个季节三者的海-气交换通量,结果表明秋季大连湾为大气CO2、CH4和N2O的源区,而冬季大连湾主要为大气CO2的汇区,是大气CH4和N2O的源区。

台风环境中海-气动量与焓交换观测研究及应用进展

海-气动量与焓交换对台风大气和海洋环境具有显著影响。在回顾和再现前人观测研究工作的基础上，总结了近年来外场和实验室观测的研究成果。（1）关于动量交换比较一致的结论是，即当风速超过一定阈值时，拖曳系数随风速增加而达到饱和值或衰减；不同观测得到的风速阈值在24～40m／s范围内变动。（2）关于焓通量，所取得的观测研究结果本身存在较大不确定性，对海洋飞沫在焓通量过程中的作用还没有取得一致的认识，所得焓通量系数几乎都未显示出与风速的明显依赖关系。还总结了这些观测研究结果在数值模式中的应用情况。基于这些已经发表的外场观测数据，提出了分浅水、中等水深和深水三种情况的台风海-气拖曳系数参数化方案，三种条件下采用同样形式的函数，差异在于函数系数；而对台风海-气焓交换系数则采用概率分布进行描述。

2002年南海季风爆发前后西沙海区海-气通量交换及其变化

利用2002年4月24日至6月20日在西沙海区进行的第三次南海海-气通量观测试验资料,采用涡相关法和TOGACOARE2.5b版本通量计算方案,计算了西南季风爆发前后海洋-大气间的通量交换,讨论了辐射、动量、感热通量、潜热通量、海洋热量净收支的时间变化特征及其与气象要素变化的关系.结果表明:西南季风爆发前后,太阳短波辐射、海面净辐射、潜热通量和海洋热量净收支变化特别强烈;通量变化受不同环境要素的影响:感热通量与海-气温差呈正相关关系,与气温呈明显的负相关关系.潜热通量与风速、海-气温差及海面水温均有正相关关系,其中与风速的关系最密切.动量通量(τ)主要随风速变化,它与风速(V)的关系可以表示为τ=0.00185V2-0.00559V+0.01248.

2000年南海季风爆发前后西沙海域海-气热量交换特征

利用2000年5月6日至6月17日在西沙海域进行的第二次南海海-气通量观测资料,计算了南海季风爆发前后海洋-大气间的辐射收支、感热通量、潜热通量及海洋热量净收支;发现季风爆发后海-气热量交换突然发生变化,其中潜热通量、海洋热量净收支变化尤为显著。讨论了季风爆发前后各种天气过程影响下海-气热量、水汽交换特点和海洋热量净收支变化,说明季风爆发前海洋是一个能量积累过程,季风爆发期海洋是一个能量释放过程,季风中断期海洋是一个能量再积累过程;季风爆发后西南大风期持续时间和强度,强烈影响水汽蒸发量大小,进而影响我国大陆上夏季降水,通过南海与阿拉伯海、孟加拉湾、西太平洋暖池等不同海域资料对比,分析了它们在海-气热量交换上的差别,指出这种差别是爆发后南海SST基本稳定而阿拉伯海、孟加拉湾SST明显降低的主要原因。

热带西太平洋的海-气热交换特征及其与OLR的关系

前 言热带西太平洋作为赤道附近最强的大气加热区,该区域内通过海-气界面上热量交换而实现的海-气相互作用,对大气温压场的转变,以及进一步影响大气环流的变化有着极重要的作用,为了对热带西太平洋区域的海洋和大气特征有更深的认识和了解,已有不少学者进行了大量的研究[6],尤其是作为“热带海洋与全球大气”研究计划（TOGA）一部分的“中美西太平洋海-气合作考察”所得到的一系列观测事实,更促进了这一区域的研究工作.

东海台风状况下海-气界面热量交换

为探索台风与海洋相互作用,用实测资料,计算了在东海和南海活动的共9个台风海-气界面热量交换值。结果:发现台风环流内,水温小于露点时,潜热出现负值,反之为正值,水温与露点相同时,潜热量值为零;台风环流内海-气界面热量交换强烈,主要贡献来自潜热,水温、气温均是下降趋势,气温下降更为明显;夏季,东海和南海海-气界面热量交换值量相近,海洋对大气响应为主。秋、冬季,海-气界面热量交换比夏季强烈,大气对海洋响应为主。结论:台风对海洋响应为主;秋、冬季,海-气界面热量交换,东海比南海更加强烈。

北冰洋海域极昼期间海-冰-气间湍流通量交换特征

利用系留式气象塔探测系统观测到的北冰洋上空气温、湿度、气压、风向和风速等的廓线和梯度资料,使用平均廓线方法和经过大气层结订正交换系数的整体动力学输送公式,计算给出极昼期间该海域不同下垫面的粗糙度长度、动量通量M、曳力系数C_(DD)、感热通量H_(SS)、感热交换系数C_(HH)、潜热通量H_(LL)和潜热交换系数C_(EE)等,其均值变化范围分别为(0.2～1.0)mm,(11.4～91.9)×10^(-3)N/m^2,(0.87～1.76)×10^(-3),-(4.2～12.5)W/m^2,(0.84～1.37)×10^(-3),-6.6～23.6W/m^2和(0.85～1.40)×10^(-3).曳力系数大于潜热交换系数,而潜热交换系数又大于感热交换系数。此外,动量通量、感热通量和潜热通量与平均风速、平均位温差和平均比湿差有明显的相关关系。

春季南海溶存N2O的分布特征和海气交换通量

2005年4月28日至5月11日在南海北部进行了调查，测定了南海不同深度海水中溶解N20的浓度。结果表明，表层海水中的N2O浓度范围在5．17～14．9nmolfL，饱和度范围为90．4％～236．3％，除个别站位外，表层水体中N2O均处于过饱和状态，是大气中N2O的净源。在研究海域陆架．陆坡站位和海盆区站位N2O的垂直分布有一共同特点：透光层海水中N20垂直混合较为均匀。利用Liss和Merlivat公式（LM86）以及Wanninkhof公式（W92）分别计算了南海N2O海-气交换通量，结果为-0．57～32．93μmol／m^2·d和．1．1—53．51μmol／m^2·d，此外，我们还估算了南海对大气N2O的贡献为0．15～0．24Tg/a，要远高于开阔大洋。

西太平洋海-气二氧化碳分压差及其通量研究

本文研究了中国第八次南极科学考察青岛至南极航渡中所观测到的大气与海水二氧化碳分压资料，结果表明：７°Ｎ以北、０°至２°Ｓ、１０°Ｓ至４３°Ｓ之间及５８°Ｓ以南的海域是大气二氧化碳的汇区，其间碳通量平均约为６．１ｍｇ／（ｍ２ｈ）；７°Ｎ至０°、２°Ｓ至１０°Ｓ及４３°Ｓ至５８°Ｓ则为大气二氧化碳的源区，其间碳通量约为４．０ｍｇ／（ｍ２ｈ）。

桑沟湾溶存N_2O的分布和海气交换通量的季节变化

于2006年4月至2007年1月对桑沟湾海域进行了4个航次的调查,采集表层海水样品,研究了该海域表层海水中溶解N2O的分布特征及海气交换通量的季节变化,结果表明:桑沟湾表层海水中溶解N2O浓度和饱和度存在一定的季节性变化,浓度表现为冬季最高而饱和度为夏季最高。利用Liss和Merlivat公式(LM86)以及Wanninkhof公式(W92)估算了该海湾海水中N2O的年平均海-气交换通量,分别为0.2μmol/(m2.d)±0.1μmol/(m2.d)和1.5μmol/(m2.d)±1.0μmol/(m2.d)。

春季西北太平洋水体中甲烷和氧化亚氮的分布及海气交换通量

于2010年5—6月搭乘日本KH10-1航次,对西北太平洋两个不同深度站位甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)的垂直分布及海气交换通量进行了研究。结果显示:研究海域表层海水中CH4和N2O浓度分别为(2.55±0.22)nmol/L和(7.50±1.11)nmol/L,饱和度分别为126%和116%,均处于轻度过饱和状态。在垂直方向上,CH4浓度分布呈现次表层极大的特征,次表层以下CH4浓度随深度增加逐渐减小。CH4次表层极大值可能是由于细菌利用甲基化合物进行好氧产生和在悬浮颗粒物、浮游动物或其他海洋生物肠道内厌氧微环境产生的综合作用造成的。N2O浓度随深度的增加而增大,在跃层下部达到最大值,N2O与溶解氧的垂直分布呈镜像关系。水体中N2O主要通过硝化过程产生。利用LM86和W92公式计算得到CH4的海气交换通量分别为(0.76±0.57)μmol/(m2·d)和(1.57±0.67)μmol/(m2·d),N2O的海气交换通量分别为(1.96±0.24)μmol/(m2·d)和(3.08±0.38)μmol/(m2·d),因此西北太平洋是大气CH4和N2O的净源。

海洋白浪及其在海—气交换过程中的作用

简要介绍了海洋白浪、水沫、气泡在海—气交换过程中的作用以及国外对此开展的研究工作的概况和进展。

春季东海溶存氧化亚氮的分布和海气交换通量

于2011年5至6月在东海采集不同深度海水样品,研究了其中溶存氧化亚氮（N2O）的分布并估算其海-气交换通量。结果表明,春季东海表层海水中溶存N2O浓度范围为6.31-11.88 nmol/L,平均值为（9.13±1.45） nmol/L；底层海水中N2O浓度范围为7.53-39.75 nmol/L,平均值为（13.71±7.76） nmol/L。随着深度的增加, N2O浓度逐渐升高。温度是影响春季东海N2O分布的主要因素, N2O浓度与温度呈负相关关系。长江冲淡水和黑潮水是东海N2O的重要来源。东海表层海水中 N2O 的饱和度范围为92.5%-139.3%,平均值为118.5%±10.3%,绝大多数站位都处于过饱和状态,因此,春季东海是大气N2O的净源。利用LM86公式和W92公式求得东海的海-气交换通量分别为（4.96±6.12）μmol/（m^2·d）和（10.25±17.18）μmol/（m^2·d）,初步估算出东海年释放N2O通量约为0.061-0.127 Tg/a,占全球海洋释放总量的2.0%,远高于其所占的面积比0.2%。