基于南海观测平台的海-气界面CO_2通量研究

利用南海北部的海上综合观测平台,开展了基于涡相关方法的海-气界面CO2通量的长期观测,得到了2010年9月至2012年9月近2年的海-气界面CO2通量数据,结果分析表明,观测平台附近海域全年表现为一个碳汇,年平均值为-0.088 mg m-2s-1,存在明显的季节变化规律,秋冬季节海洋表现为一个强碳汇,春季海洋依然是一个碳汇,但强度明显减弱,而夏季海洋呈现不稳定的源汇变化特征;从日周期特征上看,夜间通量强度较强,白天减弱;进一步的分析表明,海上风和大气稳定性对海-气界面CO2通量有明显的贡献。

海-气界面气体交换速率和全球海洋CO_2通量的初步研究

在全球气候变暖的背景下,准确估计海-气界面CO_2通量显得非常重要。海-气界面CO_2通量通常利用块体公式,由气体交换速率与大气和海洋的CO_2分压差(ΔpCO_2)的乘积来计算。影响气体交换速率的因素很多,但一般经验性地与风速相联系,其测量方法通常有物质平衡法和涡相关法,后者给出的结果比前者大。基于前人的两类观测数据,提出了一个以风速为函数的气体交换速率新方案。在此基础上,基于最新的SOCATv2(Surface Ocean CO_2Atlas version 2)的ΔpCO_2数据集,计算了1982—2011年海洋对CO_2的净吸收量及其年变化,发现2001年海洋净吸收量存在一个最小值,2001年之后,海洋净吸收量迅速增加,而这一年变化特征主要由ΔpCO_2的年变化特征所决定,风速的影响可以忽略。

2011年3月胶州湾表层海水pCO_2及海-气界面通量

依据2011年3月4日对胶州湾走航连续实测所得pCO2数据,结合水文、化学和生物等要素的同步实测资料,对胶州湾海域pCO2分布及其影响因素进行了初步探讨,并估算了3月海-气CO2通量。结果表明:3月胶州湾表层海水pCO2实测值在191～332μatm之间,平均值为278μatm,海-气CO2通量在-22.76～-7.13mmol·m-2·d-1,平均值为-14.2mmol·m-2·d-1,这一时期胶州湾从大气吸收约1.59×103t C,表现为大气CO2的强汇。生物活动是影响这一时期表层海水pCO2分布的主要原因。

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。

大洋海区海-气CO_2通量单参数遥感算法的适用性检验

利用卫星遥感技术的优势,基于LDEO数据库的全球海表二氧化碳分压（PCO2）及海表温度（SST）等实测数据,初步建立东太平洋海区PCO2与SST的单参数经验算法,并采用相同区域的独立实测数据检验.结果表明,单参数算法在寡营养大洋海区具有良好的适用性,反演值与实测值之间的均方根误差（RMS）为0.51 Pa（1 Pa=9.869μatm）,由此估算出2003年6月该海域CO2通量为-1.4 mmol/（m2.d）,与实测估算的碳通量基本相符,能够很好地反映出海区CO2源汇特征.将该遥感算法运用到西大西洋海域（15°~25°N,60°~75°W）,反演值与实测值之间均方根误差（RMS）为0.69 Pa.检验结果表明,在寡营养大洋海区,单参数遥感算法具有一定的适用性,在受相似因子调控的同纬度海区可以使用同一遥感算法.

太湖水-气界面CO_2交换通量观测研究

基于2003—01～2005—06利用静态箱法对太湖水-气界面CO2交换通量的观测，对太湖水一气界面交换通量的变化特征进行了分析研究．结果表明：太湖水-气界面CO2交换通量存在明显的日变化，春、夏、秋、冬4季日平均通量分别为一0．79mg／（m^2·h）、-4．89mg／（m^2·h）、-4．06mg／（m^2·h）和-2．56mg／（m^2·h），太湖均是CO2的汇，一般污染越重的区域，CO2通量值越大，藻型湖区水-气界面CO2交换通量季节变化不明显，草型湖区水-气界面CO2交换通量季节变化很明显，夏秋季高，冬春季低．CO2通量变化的可能相关因子还有天气情况、太阳辐射、风速及水温、pH、TA、Chla、TC、TN和TP等。

三峡水库澎溪河水-气界面CO_2、CH_4扩散通量昼夜动态初探

三峡水库温室气体效应近年来备受关注.为揭示三峡水库典型支流澎溪河水-气界面CO2和CH4通量的昼夜动态规律,明晰短时间尺度下该水域温室气体释放的影响因素,在2010年6月至2011年5月的一个完整水文周年内,选择4个具有代表性的时段(2010年8、11月和2011年2、5月)对澎溪河高阳平湖水域开展昼夜跟踪观测.结果表明:2010年8、11月和2011年2、5月4次采样的CO2日总通量值分别为-8.34、73.94、28.13和-20.12 mmol/(m2·d),相应的CH4日总通量值分别为2.22、0.11、0.32和7.16 mmol/(m2·d),不同时期昼夜变化明显.研究水域CO2和CH4通量过程不具同步性:CO2昼夜通量变化可能更显著地受到水柱光合/呼吸过程的影响,但瞬时气象过程(水汽温差、瞬时风速等)在高水位时期亦可对CO2通量产生显著影响;CH4昼夜通量变化与水温条件改变更为密切.

秋季黄河pCO_2控制因素及水-气界面通量

根据2006年11月1-10日,秋季黄河平水期二氧化碳分压（pCO2）的现场实测数据及相关同步观测资料,对黄河表层水pCO2的分布及其影响因素进行了研究。结果表明：水体pCO2在80-166 Pa,平均值110 Pa,在世界主要河流中属中等偏下水平;空间分布存在较大的不均匀性,中游高于上游和下游。浮游植物的光合作用对pCO2有一定的影响但强度较弱,即使在叶绿素最高值3.58μg/L的包头站pCO2仍达到91 Pa。黄河水体有机物含量较低且继承了陆源有机物难降解的特性,干流和库区EpCO2/AOU的比值为0.14和0.20,远低于生物好氧呼吸作用控制水体pCO2的理论下限0.62,因此,生物好氧呼吸作用对水体pCO2的贡献不大。悬浮物（TSS）含量为3.77-1308mg/L,溶解无机碳（DIC）含量为3.03-4.14 mmol/L,普遍高于世界其它河流且最大值均出现在潼关站;同时水体pCO2与TSS、PIC、DIC含量具有极好的正相关性。因此黄河流域强烈的机械侵蚀和化学风化作用形成的碳酸盐体系是控制水体pCO2的主要因素。利用Wanninkhof提出的淡水水-气交换系数的通量模式估算,黄河水域水-气界面CO2交换速率约为0.229μmol/m^2.s,秋季可向大气释放CO214.5亿moL,相当于8 250 km^2草原或是112 km^2森林一年的固碳量。黄河CO2释放通量与渥太华河相近,但要远小于亚马逊河。

黄河三角洲养殖塘水-气界面CO_2、CH_4和N_2O通量特征

随着经济的增长和人口的增加,沿海地区养殖业迅速发展,故养殖区水-气界面的CO_2、CH_4和N_2O交换通量对大气中温室气体浓度的影响不容忽视。以黄河三角洲神仙沟(桩11)南部的养虾塘为研究对象,于2013年6月—2014年4月,采用漂浮箱-气相色谱法对养殖塘白天水-气界面CO_2、CH_4和N_2O通量进行观测,并同步测定养殖塘部分环境因子。结果表明,黄河三角洲养殖塘CO_2、CH_4和N_2O的通量范围分别为-71.140 3~7.278 6、-0.005 8~0.016 5、-0.002 0~0.007 9 mg·m^(-2)·h^(-1),均值分别为-36.347 5、0.005 9、0.002 7 mg·m^(-2)·h^(-1),整体上表现为从大气吸收CO2的汇和向大气排放CH_4和N_2O的源。养殖塘温室气体通量存在明显的季节变化特征,在温度较高的夏秋季,CH_4和N_2O排放通量较大。相关性分析结果表明,温度、盐度、SO_4^(2-)、Cl^-和磷水平对养殖塘温室气体具有一定的影响,且盐度与N_2O通量、SO_4^(2-)浓度与CO_2通量之间的相关性达到显著水平。黄河三角洲养殖塘温室气体通量与自然水体和其他地区养殖塘存在较大差异,其中,地理位置的差异、养殖方式、杀菌剂的使用等环境因子和人为因素的作用显著。此外,养殖塘作为受人为干扰严重的水体,表现为多因子共同作用的结果,这一结论还有待于进一步的研究。研究结果对于综合评价水产养殖对区域气候变化的影响,深化人类活动对全球变暖的影响认识具有一定意义。

三峡水库澎溪河水-气界面CO_2与CH_4通量特征及影响因素初探

澎溪河流域是三峡水库典型支流,对水库区域碳循环及区域化学风化的影响非常重要。2016年5月—2017年2月对澎溪河流域水-气界面CO_2与CH_4通量特征进行监测与分析,采用顶空平衡法结合模型估算法计算表层水体CO_2与CH_4的分压以及水-气界面的交换通量,并运用spearman相关分析法分析了二氧化碳和甲烷的分压和排放通量与其他环境变量之间的相关性。研究发现:澎溪河是温室气体排放"源",表层水体p(CO_2)平均值为(1807.635±315.605)μatm(1μatm=0.101325 Pa,下同),表层水体p(CH_4)平均值为(218.7725±127.9425)μatm;CO_2扩散通量平均值为(32.53±3.86) mmol?m^(-2)?d^(-1),水-气界面CH_4扩散通量平均值为(0.208±0.143) mmol?m^(-2)?d^(-1),通量与分压趋势基本保持一致。通过与世界上典型河流温室气体扩散通量对比,得出澎溪河流域CO_2通量释放量为中等水平,而CH_4扩散通量较小,且CH_4通量与p(CH_4)、水温、pH值显著正相关,而水-气界面CO_2扩散通量与p(CO_2)显著正相关,与DO、pH值、叶绿素a(Chl-a)显著负相关。

春、秋季台湾海峡海-气CO_2通量及其影响因素

于2014年的5月(春季)和9月(秋季)在台湾海峡及其邻近南海和东海海域,采用水气平衡法进行了2个航次的海表和大气pCO_2连续走航观测,同时获取了海表温度、海表盐度、风速及气压等数据,并采用海-气CO_2分压差减法估算了海-气CO_2通量.结果显示,春、秋2个航次平均海表pCO_2分别为387±16μatm和408±18μatm.温度是影响台湾海峡及其邻近海域海表pCO_2的主控因子,水团混合和其他因素等也对海表pCO_2有一定影响.2014年春、秋季节,对研究区域的海-气CO_2释放通量的估算结果分别为0.11±1.60 mmol/(m2·d)和2.51±1.10 mmol/(m2·d).台湾海峡海表pCO_2既存在显著的季节变化,又存在较大的空间差异.

北京昆玉河夏季水-气界面CO_2通量日变化研究

以昆玉河为例,采用LGR-动态通量箱法,对城市河流夏季水-气界面CO2释放通量进行24h连续监测.结果表明,观测点处水-气界面CO2释放通量具有明显的日变化特征.24h内CO2释放通量在-27.18～12.51mg.m-2.h-1,平均值-7.28mg.m-2.h-1,昼间平均值为-8.81mg.m-2.h-1,夜间平均值为-4.22mg.m-2.h-1.24h内水-气界面CO2通量,极大值出现在21:20为12.51mg.m-2.h-1,极小值出现在6:20为-27.18mg.m-2.h-1.在夏季城市河流水-气界面CO2通量受到气温、风速、总磷(TP)、总氮(TN)、总碱度(TA)等因素影响,使城市河流成为大气CO2的碳"汇"之一.

北黄海夏季pCO_2分布及海-气CO_2通量

基于在2006年夏季北黄海收集的的高分辨率的表层CO2分压(pCO2)数据,结合水文和生物地球化学同步观测参数,探讨了夏季北黄海pCO2空间分布的控制因素。结果表明,夏季北黄海与大多数中低纬度陆架海类似,由于水温较高,表层pCO2较高(平均值为(463±41)μatm),整个海域相对大气CO2过饱和。表层pCO2分布具有明显的区域差异,辽南和鲁北近岸海域pCO2明显高于中部区域,辽南近岸的高pCO2主要与河流输入和水产养殖引起的生物好氧呼吸有关,而鲁北沿岸的高pCO2主要与烟台近岸的底层冷水涌升及由混合引起的高碳酸盐含量的黄河泥沙的再悬浮有关;在海区中部大部分水域,pCO2与温度之间有较好的相关性,说明温度是这一区域pCO2分布较为重要的控制因子。另外,采用Wannikhof的海-气气体交换系数估计了北黄海夏季海-气CO2通量,结果表明整个北黄海是大气CO2的源,平均释放速率为(4.00±0.57)mmol.m-2.d-1,高于南黄海夏季海-气CO2通量。

利用卫星数据估算南大洋海-气CO_2通量的展望

本文简述了南大洋在全球碳循环系统中的重要作用以及极地海域海洋CO2通量现场实测数据调查的局限性和存在问题,借鉴国外学者在大洋利用卫星数据估算海-气CO2通量的研究成果,结合我国在南极积累的二十多年的大洋考察资料,展望我国在南大洋进行相关碳通量估算的研究前景。总的基本思路是:从海表层水CO2分压和其相应的调控因子之间推导出经验公式,通过最佳的插值方式由卫星遥感数据外推整个计算海域的CO2数据场,与实测数据做比较,计算碳通量。

白令海BR断面海-气CO_2通量及其参数特征

通过对2008年夏季白令海大气和海水pCO2连续观测资料,结合BR断面上站位水体垂直采样测量,对白令海不同海区pCO2的分布特征及其与理化参数的关系进行了初步研究,结果表明,将白令海划分为4个具有不同CO2吸收能力的海区,其中陆坡流区碳通量高达-18.72mmol/(m2.d),是海盆北区的近2倍,比海盆南区高一个量级;在海盆北区和陆坡流区pCO2随温度升高而增加,两者之间呈正相关关系,而在海盆南区和陆架区两者的关系不明显,表明这两个海区的温度可能不是pCO2变化的主要调控因子;在海盆北区与陆架区pCO2与盐度呈显著的相关,这很可能受到水团混合的影响,而在海盆南区与陆坡流区两者的变化幅度比较小,关系也不显著。在海盆南区有充分混合的高温、高盐、高溶解总无机碳(DIC)和高总碱度(TA)的水体,这是导致该海区CO2吸收能力最弱的主要原因。在陆坡流区与此相反,呈现出低温、低盐、低TA和低DIC的水体特征,明显不同于白令海盆或白令海陆架区,这可能是形成表层海水pCO2低值的主要原因。

南大洋海-气CO_2通量研究进展

南大洋是全球最重要的CO2汇区之一。准确估算南大洋及其各海区的海-气CO2通量,是全球碳循环研究的重要内容,其对预测和评估未来南大洋在全球变暖日益加剧的背景下发挥的作用有重要意义。但由于南大洋广阔的海域,恶劣的气候条件、自身复杂的水文物理及地球化学过程等原因,目前对南大洋的CO2通量的评估不一而足,存在较大差异和不确定性。本文讨论了南大洋海-气CO2通量的估算方法和各个海域海-气CO2通量研究的最新进展,并分析了南大洋海-气CO2通量的控制及影响因素。目前对南大洋的年吸收量估计为大约在0.1—0.6PgCyr-1,同时,所有的研究都表明,其存在极大的年度变化性。并且,由于各个海区受到生物、物理和水文等各方面的影响,表层海水CO2分压(pCO2)表现出极大的时空变异性。

北温带干旱地区土壤-大气界面CO_2通量的变化特征

采用箱法对栗钙土、灰钙土、粗骨土和山地灰褐土4种有代表性的干旱土壤表面CO2通量进行观测和研究。结果表明:森林土壤(粗骨土和山地灰褐土)的通量显著大于草原土壤(栗钙土和灰钙土)。干旱区土壤表面CO2通量的平均值为230.05μmol/(m2·h),变化范围为-147.27～2319.55μmol/(m2·h)。不同土壤类型之间存在差异,粗骨土(351.82μmol/(m2·h))>山地灰褐土(347.33μmol/(m2·h))>栗钙土(193.36μmol/(m2·h))>灰钙土(162.37μmol/(m2·h))。土壤表面CO2通量存在季节变化,趋势呈"S"形。9月份最高(516.79μmol/(m2·h)),以土壤向大气释放为主;1月份最低(-7.09μmol/(m2·h)),以大气进入土壤为主;具有春夏秋冬交替规律,与气候变化趋势基本一致,土壤表面CO2通量稍有后滞。全天候土壤表面CO2通量呈"山峰"形变化,04:00最小(154.13μmol/(m2·h)),12:00最大(349.65μmol/(m2·h)),具有昼夜交替规律,比气候日变化稍有滞后。影响土壤表面CO2通量的环境因子有地表空气温度、土壤温度(0～10cm、10～20cm和20～30cm)、土壤含水量(0～10cm、10～20cm和20～30cm);其中,地表空气温度、土壤温度(0～10cm、10～20cm和20～30cm)和土壤含水量(0～10cm)分别与土壤表面CO2通量呈正相关关系,而10～20cm和20～30cm深度的土壤含水量与土壤表面CO2通量呈负相关关系,地表空气相对湿度与土壤表面CO2通量的关系不显著。大气与土壤之间的CO2存在双向转移机制,CO2不仅从土壤向大气转移,而且也从大气向土壤转移,热量在地球表面的差异性分布,导致温带和寒带地区的土壤具有平衡大气CO2浓度的功能,是温带、寒带地区的显著特征。

泥河水库秋季水-气界面CO_2通量日变化特征及影响因子分析

利用静态箱法对泥河水库秋季水-气界面二氧化碳通量值进行连续24h观测,对其变化趋势及影响因素加以分析。结果表明:泥河水库24h均为大气的源,其碳通量均值为24.53mg·m-2.h-1,呈现出双峰值特点。全天源的极大值出现在22∶00为35.57mg·m-2.h-1,源的极小值出现在10∶00为12.57mg·m-2.h-1。在秋季影响水库水-气界面碳通量变化的主要因素是温度、风速、溶解有机碳(DOC)和碱度。秋季泥河水库CO2排放量不是很大,但仍是大气二氧化碳的碳源之一。

SST产品误差在海-气CO_2通量计算中的传递及贡献分析

海-气界面CO2通量的估算对于碳的生物地球化学循环和全球气候变化等研究具有重要的意义,利用遥感手段是进行全球尺度海表面碳通量估算的唯一手段,但是由于不确定性的存在限制了海-气界面CO2通量遥感估算产品在决策应用上的可靠性。本文通过建立海-气界面CO2通量直接控制参量(气体交换速率k、海表面CO2溶解度S和海表面CO2分压pCO2sw)误差结构图,以通量估算的主要影响因子——海表温度(SST)为例,建立了SST在通量计算中的误差传递流程图,并采用Monte Carlo方法模拟了SST误差在通量计算中的传递规律和对最终误差的贡献。结果表明在遥感SST误差为±0.5°C并为正态分布的假设下,误差在k、S计算中的传递为指数分布和近似指数分布,而在pCO2sw模型计算中为正态分布,最终在通量FC O中的传递为指数分布;在大气CO22分压为固定值370μatm的情况下,SST对最终的通量结果带来的误差为±1.2mmol/(m2·d)左右。本文以SST为例,提供了一种通量计算中遥感参数误差传递和贡献的计算方法,可以为其它遥感获取的参量提供分析依据和参考。

东海及黄海南部海域走航海-气CO_2通量季节性变化

根据2003—2008年东海及黄海南部海域多个航次现场观测获得的海表温度、盐度及海水表层pCO_2观测数据,分析该海域海水表层pCO_2及海-气CO_2通量的季节变化特征,探讨了海-气界面CO_2转移与海表温度、盐度分布之间的联系。结果表明:该海域海水表层pCO_2及海-气CO_2通量具有显著的季节性差异。近海区域,春季受海表温度上升、生物作用加强的影响黄海南部、东海近岸区及陆架中部、东海南部表现为大气CO_2汇,其海-气界面季平均通量分别为(-7.77±6.59),(-11.08±8.99),(-2.94±6.78)mmol·m^(-2)·d^(-1)。夏季黄海南部区域表现为大气CO_2源(2.99±6.09)mmol·m^(-2)·d^(-1),与该海域的下层海水涌升有关,东海中部陆架区及东海南部近岸区由于淡水输入,形成跃层阻碍水体混合,再加上光合作用增强等的综合作用为大气CO_2汇,通量为(-4.81±8.92),(-0.75±12.14)mmol·m^(-2)·d^(-1)。秋季北风逐渐增强水体混合加剧,向冬季格局转变,底层富含CO_2的海水上涌,致使海表pCO_2升高,整个海区表现为大气CO_2源。在年际变化上,春季碳汇呈减弱趋势,而秋季碳源则逐渐增强。