南大洋大气有机胺分布及来源特征研究

依托中国第36次南极科学考察,利用船载走航气溶胶及气体组分在线分析仪对南大洋大气中气态和颗粒态有机胺进行了在线观测。获得了南大洋开阔海域及普里兹湾大气中高分辨气态和颗粒态有机胺的组成及分布,并对其来源特征进行了分析。结果表明:南大洋大气有机胺以气态三甲胺(TMA)和二甲胺(DMA)为主要存在形态,其均值分别为(104.0±285.2)、(3.5±6.0)ng/m^(3)。普里兹湾大气中有机胺的平均浓度显著高于南大洋开阔海域,气态TMA和DMA均值分别达到(289.0±396.6)、(5.6±16.1)ng/m^(3)。南大洋大气中气态TMA、DMA和氨气(NH_(3))在不同区域内均具有良好的线性关系,表明三者具有同源性。从来源分析,南大洋大气有机胺主要受到海洋生物活动的影响,但在海冰边缘区及南极近岸海域,企鹅等动物的生物活动会导致大气中有机胺的浓度显著升高。

2016-2017年北极内尔斯海峡北部海冰运动及其影响因素研究

内尔斯海峡位于加拿大埃尔斯米尔岛与格陵兰岛之间,是北极海冰输出的重要通道之一,这些海冰融化后带来的表层淡水对巴芬湾、拉布拉多海的深层水形成具有重要影响。但由于该海峡较为狭窄,缺乏对此区域海冰运动情况的精细研究。本研究利用每日的哨兵1号影像提取了2016年9月至2017年8月的内尔斯海峡北部区域海冰运动信息,展示了海峡中浮冰的运动过程,并结合风速、海流速度等数据分析浮冰运动特征及影响因素。结果表明风和海流二者共同主导了海冰的运动过程,相关系数分别达到了0.767和0.709,由风速、海流速度、海冰密集度3个自变量与浮冰速度建立的多元线性回归模型复决定系数也达到了0.727。进一步分析发现,风和海流在速度相对稳定时对浮冰速度的影响都会减小。本研究关于风和海流等要素对海冰运动过程影响的研究结果,可以为海洋–大气动力学模型的研究提供参考。

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。

快速变化中北冰洋CO_(2)汇研究进展

作为高纬度吸收CO_(2)重要海区之一,北极气候和生态环境正发生快速变化,这些变化使得北冰洋CO_(2)的源汇格局及相关过程发生相应改变,并带来巨大的不确定性。表层海水CO_(2)分压(pCO_(2))是评估CO_(2)源汇的重要参考指标,其调控因子较为复杂,特别是对于环境具有区域性显著差异的北冰洋。综合目前国内外对北冰洋碳汇的研究进展,阐述了北冰洋pCO_(2)和CO_(2)源汇的空间分布特征、重要影响因素及其在北极快速变化过程中的关键作用,同时提出预测未来变化的不确定性。由于北极快速变化,北冰洋的海洋生物地球化学碳循环过程及机制变得更为复杂,进而影响碳汇能力及CO_(2)源汇分布格局。根据目前的研究结果,最近20年间,随着海冰的快速退缩,北冰洋已经逐渐增强为重要的CO_(2)汇,最新的评估数值可高达180TgC·a^(–1)(1Tg=10^(12)g),其中楚科奇海陆架CO_(2)汇几乎占到整体的1/3。未来的快速变化中,预测北冰洋碳汇将继续增强,但受限于营养盐的补给、升温以及海水酸化效应,其增长潜力低于预期。

汞同位素环境样品前处理方法的研究进展

汞同位素技术是汞的生物地球化学循环和污染防治研究的重要手段,在汞的源解析和过程示踪等方面具有广泛应用。由于自然环境中汞含量极低,所以环境样品需先经过一系列严苛的预处理才能开展汞同位素分析。目前,用于同位素分析的固态样品前处理方法主要有湿法消解和燃烧捕集法,液态样品的前处理方法以色谱分离、共沉淀和吹扫捕集为主,气态样品则收集至不同的固态吸附剂后,通过燃烧捕集法富集样品中的汞。相比湿法消解,燃烧捕集法具有富集倍数高、干扰元素少、适用范围广、操作简便等优点,广泛应用于土壤、岩石和大气等样品的前处理中。海水样品的前处理以共沉淀的效率最高,而吹扫捕集能富集海水中不同形态的汞。为拓展汞同位素技术在汞的生物地球化学循环研究中的应用,亟需建立更加快捷、高效的前处理技术。

贝藻类养殖碳汇核算与综合温室潜力评估研究进展

海水养殖可能是实现我国碳中和目标的有效途径之一。贝、藻类养殖是海水养殖的主要组成部分,可以通过碳移除(从海水中收获)、碳固定(形成贝壳)等方式成为有效的碳汇。因此,中国作为海水养殖大国,具有较大的碳汇潜力。然而,目前关于贝、藻类养殖过程中碳汇的计算、评估、监测等还没有统一的标准,对于其碳汇边界的定义(如储藏年限、周转周期等)也不清晰。本文阐述了典型贝、藻类养殖碳汇的潜力,认为碳汇的计算不仅仅要考虑储存碳,还要考虑养殖过程中由于呼吸等过程排放的碳;提出了贝、藻类养殖碳汇测算过程中存在的问题,认为目前常用的称重法等无法准确反应养殖系统的碳汇潜力;建议在未来养殖碳汇测算中首先明确碳汇边界问题(如使用长、短周期碳汇的概念)。最后,本文讨论了贝、藻类养殖生态系统综合温室效应评估的必要性,建议在碳汇核算过程中同时考虑非二氧化碳温室气体(如甲烷、氧化亚氮)的作用。

^(210)Po-^(210)Pb活度不平衡鉴年法测定北极冰区表层冰雪年龄

远离河流和大陆的北冰洋冰区,大气沉降是^(210)Po、210Bi、^(210)Pb和 ^(7)Be核素等最重要的来源。降雪一旦形成即被标记具有特定的^(210)Po/^(210)Pb活度比值,并降落到海冰表面,进入封闭状态。在封闭体系的冰雪中,随着时间推移,^(210)Po从相对于^(210)Pb强烈亏损的状态逐渐达到^(210)Po-^(210)Pb平衡状态。因此可以通过分析北冰洋表层冰雪中^(210)Po-^(210)Pb活度不平衡特征,量化冰区表层冰雪的表观年龄。本文搜集整理了北极地区气溶胶的^(210)Po/^(210)Pb活度比值,结合2018年中国第9次北极科学考察航次和2015年美国GEOTRACES北冰洋航次中若干冰站表层冰雪的^(210)Po/^(210)Pb活度比特征,估算了北冰洋表层冰雪的表观年龄。结果表明,2018年中国冰站采集的表层冰雪年龄变化范围为106~272 d,远大于2015年美国冰站采集的表层冰雪的年龄;而两国冰站表层冰雪的年龄都呈现一定的纬度效应,即随着采样站位越靠近北极点,总体上表层冰雪的年龄呈现越来越大的特点,表明北极冰区表层冰雪越靠近北极点,表层冰雪被保留的时间会越长。^(210)Po-^(210)Pb活度不平衡定年法可以作为一种评估北冰洋冰雪年龄的方法并与遥感技术协同使用。

南极罗斯海–阿蒙森海2019—2020年夏季表层悬浮颗粒有机质组成及其控制因素

陆架边缘海悬浮颗粒有机质的组成及其来源研究是海洋物质生物地球化学循环研究的重要组成部分。南极的地理位置和气候环境特殊,其边缘海海洋环境受海–气–冰系统共同作用与影响,颗粒有机质的组成及来源具有独特的区域特征与全球意义,其控制因素研究对全面认识罗斯海、阿蒙森海等典型西南极边缘海生物地球化学循环以及生物泵传输效率具有重要的意义。利用中国第36次南极科学考察期间在西南极罗斯海–阿蒙森海区采集的59个表层海水悬浮颗粒物样品的有机碳、氮及其同位素和多种来源特异性的生物标志物分析测试数据,研究了罗斯海–阿蒙森海区域悬浮颗粒物中有机质的物质组成和分布特征,探讨了悬浮颗粒物中不同来源有机质含量与分布的控制因素,评估了不同有机地球化学指标在海–气–冰系统作用下的南极边缘海颗粒有机质组成及来源示踪的应用潜力。研究结果表明,罗斯海–阿蒙森海区海水表层颗粒物中颗粒有机碳(POC)的丰度与表层水体荧光值、海水pCO_(2)、海洋浮游植物源和动物源生物标志物等的丰度分布趋势一致,这种水平分布趋势的一致性表明夏季罗斯海–阿蒙森海海水表层POC主要由浮游植物和动物现场产生。表层悬浮颗粒物总有机质C/N比普遍低于4,显示海区颗粒有机质受微生物降解改造作用明显;表层悬浮颗粒物δ^(13)C值普遍低于−25.2‰,空间分布复杂,反映了南极冰架边缘海独特的贫^(13)C的浮游植物源、富^(13)C的动物源和贫^(13)C的陆源颗粒有机组成的混合信号。表层悬浮颗粒物类脂生物标志物指标是区分不同来源POC组分的有效指标;菜籽甾醇、甲藻甾醇等浮游植物源生物标志物含量之和能较好地反映浮游植物源POC的贡献:近岸冰间湖区呈现高值,其浓度的空间变化受控于水体浮游植物活动;胆甾醇能较好地反映动物源POC的贡献:冰架边缘近岸区呈现高值,其浓度的空间变化受控于海区次级生产力水平和企鹅、海豹等生物量水平;长链的烷基类脂生物标志物较好地反映了南极岩性陆源POC的贡献,其浓度的空间变化受控于南极冰川作用主导的海陆相互作用的过程影响,往往在融冰过程明显的冰架边缘近岸区呈现高值。以上研究结果表明,生物标志物分子指标结合总有机质指标的多参数综合评估为准确辨识南极边缘海复杂的POC来源组成提供了有效的方法,在极区现代海洋(生物地球化学)过程及古海洋环境演化研究中具有广阔的应用空间。