（海洋化学专业论文）利用现场和卫星遥感数据估算南大洋碳通量.pdf

摘要 南大洋在全球碳循环自然源和人为源c 0 2 与大气之间的交换中起着关键的 作用。本研究选取了中国南极科学考察第1 6 航次和第2 1 航次在两个航次相应时 间内( 1 9 9 9 年1 2 月 - - 2 0 0 0 年1 月，2 0 0 4 年1 2 月 - 2 0 0 5 年1 月) ，在中山站和 长城站往返航线覆盖的海域，为5 0 。s 到7 5 。s ，6 0 。w 到8 0 。e 之间的南极 海域。通过分析南大洋表层海水p c 0 2 时空变异的主要调控因子，利用雪龙船现 场走航观测的海表层水p c 0 2 和叶绿素，海表层水水温数据，推导出p c 0 2 与调 控因子之间的经验关系。根据遥感叶绿素和s s t 数据推导出研究海区的筇0 2 数 据，并利用从q u i k s c a t 卫星遥感风速数据得到海气交换系数k ，h r r 卫星 遥感海表层水水温数据和由n o a a 全球海洋数据中心提供的大气c 0 2 观测数据， 海表层水盐度数据，建立一维网格模型，进一步估算该海区的海气碳通量周平均 和月平均变化情况。从大面积宏观的角度上分析了南极海域夏季碳通量时空分布 的区域特征，并且从定量上提高了南极海域对c 0 2 吸收的精确性。从模式计算 的结果分析了南极海域不同海区西0 2 的调控因子。主要结果如下： 1 南极海域夏季叶绿素浓度分布呈现随时间变化的向岸梯度分布的特征。 在南半球高生产力季节的1 2 月份和1 月份，叶绿素高值区主要出现在冰 边缘，岛屿附近和陆架海域。南极海域夏季水温由南向北呈现明显的随 时间变化梯度递增分布趋势。在南极辐散带( 7 3 。e ，6 4 。s ) 和0 经度 断面上( o 。e ，6 5 5 。s ) 两处有明显的s s t 涌升高值区。南极海域夏季 表层水盐度的分布呈现不规则的空间分布，盐度值或高或低的块状分布。 在1 月份，表层海水盐度值有所下降。南极海域夏季为全年风场最弱的 季节，在整个4 0 0 s 以南海域以偏西风为主。 2 南极海域6 0 。w 到8 0 。e 之间海区夏季基本是大气c 0 2 的净汇区，p c 0 2 的分布特征具有明显的时空变异。c 0 2 的源汇强弱情况为：南大西洋 南乔治亚岛和马尔维纳斯群岛 南极半岛 普旱兹湾湾内 南印度 洋 威德尔海 普里兹湾湾外。 3 本研究计算得出在1 9 9 9 年1 2 月份，2 0 0 0 年1 月份，2 0 0 4 年1 2 月份和 2 0 0 5 年1 月，5 0 。s 以南的南极海域碳吸收能力分别为：0 0 6 8 g t c ，0 0 7 2 g t c ，0 0 7 1g t c ，0 0 7 4g t c 。并估算出在1 9 9 9 年，2 0 0 0 年，2 0 0 4 年和 2 0 0 5 年，南极海域年平均碳吸收能力为：0 4 7 6g t c ，0 4 8 9g t c ，0 5 11 g t c ，0 5 1 8g t c 。南极海域对大气c 0 2 吸收的贡献为2 5 。南极海域对 大气c 0 2 的吸收呈逐年增加趋势。在威德尔海，南乔治亚岛、马尔维纳 斯群岛和南极半岛，南大西洋海区的碳吸收能力逐年增加，是大气c 0 2 的强汇区，而南印度洋海区的碳吸收能力却呈下降趋势。 关键词：南极海域；碳通量；卫星遥感 a b s t r a c t t h es o u t h e r no c e a r lp l a y sak e yr o l ei nt h ee x c h a n g ep r o c e s sw i t ha t m o s p h e r eo f n a t u r a la n da n t h r o p o g e n i cc 0 2 i nt h i ss t u d y , w ea p p l i e dr e m o t es e n s i n gd a t ai n c o m p a r i s o nw i t ht h ei n s i t ui n v e s t i g a t i o nd a t at oq u a n t i t a t i v e l ye x p r e s sa i r - s e af l u x e s o fp c 0 2i nt h er e g i o n , f r o m5 0 。st o7 5 * sa n df r o m6 0 。wt o8 0 。ei nt h e s o u t h e mo c e a n t h ee m p i r i c a lr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nu n d e r w a ym e a s u r e dp c 0 2a n d s h i p b o a r dc h l 如s e as u r f a c et e m p e r a t u r e ( s s t ) o nb o a r dr vx u e l o n gw e r eu s e dt o c a l i b r a t ec h l aa n ds s tt oc r e a t ep c 0 2f i e l di nt h er e m o t e l ys e n s i n gd a t a s e t s w e e k l y a n dm o n t h l ym a p so ft h ea i r - s e ac 0 2f l u xi nt h ei n t e r e s t e dr e g i o n sw e r ef u r t h e r d e v e l o p e du s i n gt h er e m o t e l ys e n s e dw i n ds p e e dd a t af r o mq u i k s c a td e p e n d e n c eo f t h ec 0 2g a st r a n s f e rv e l o c i t yo fw a n n i n k h o f , r e m o t e l ys e n s e ds s td a t af r o ma v h r r a n do b s e r v e dm a r i n es a l i n i t yd a t a , a t m o s p h e r i cc 0 2d a t ao f f e r e db yt h ew o r l do c e a n a t l a s b yn o a ad u r i n g t h e p e r i o dc h i n a r e ( c h i n e s ea n t a r c t i c r e s e a r c h e x p e d i t i o n s ) - x v i ( 1 9 9 9 1 2 2 0 0 0 1 ) a n dc h 烈a r e x x i ( 2 0 0 4 1 2 2 0 0 5 1 ) r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss h o wr e g i o n a ls p a t i a la n dt e m p o r a lv a r i a b i l i t i e so fa i r - s e a f l u xo fp c 0 2i nt h es o u t h e r no c e a n ( s o u t ho f5 0 。s ) i nt h ea u s t r a ls u m m e r , a n d i m p r o v et h ea c c u r a c yo fe s t i m a t i n gt h eu p t a k eo fa t m o s p h e r i cc 0 2i nt h es o u t h e r n o c e a n r e s u l t sc a nb em a i n l ys u m m a r i z e da st h ef o l l o w i n g s ： 1 t h er e s u l tr e v e a l st h ep a t t e r no fc h l o r o p h y l la c c u m u l a t i o n g r a d i e n t l y a l o n g s h o r eo v e rt h es u m m e r , w i t hl o w e rc o n c e n t r a t i o n so f f s h o r e l a r g e p h y t o p l a n k t o nb l o o m so c c u rp a r t i c u l a r l yi nw a t e r sa r o u n di c ee d g e sa n d i s l a n d sa sw e l la s i np o l y n y a sa n dc o n t i n e n t a ls h e l v e s s e as u r f a c e t e m p e r a t u r ei n c r e a s e sg r a d i e n t l yf r o ms o u t ht on o r t ha s s o c i a t e dw i t ht i m e w h e ns u m m e rc o m i n g t h es t r o n g e s tu p w e l l i n go ft h ec i r c u m p o l a rd e e p w a t e ri se x p e c t e dt oo c c u ra tt h ea n t a r c t i cd i v e r g e n c e ( 7 3 。e ，6 4 。s ) a n di n t h er e g i o nc e n t e rw i t h ( 0 。e ，6 5 5 。s ) t h es e as u r f a c es a l i n i t ys h o w sa n i r r e g u l a rs p a t i a lp a t c hd i s t r i b u t i o nw i t hh i g h e ro rl o w e rv a l u e i nj a n u a r y , t h e s e as u r f a c es a l i n i t yd e c r e a s e sf o rt h em e l t e df l e s hw a t e r i nt h ea u s t r a l s u m m e r , w i n ds p e e d10m e t e r sa b o v et h es e as u r f a c et u r nt ot h el o w e s ti nt h e w h o l ey e a r w e s tw i n di sd o m i n a n ti nt h ea u s t r a ls u m m e rs o u t ho f4 0 。si n t h es o u t h c r no c e a n 2 t h ew a t e r sf r o m6 0 。wt o8 0 。ei nt h es o u t h e r no c e a ni sas i n ko fc 0 2 f r o ma t m o s p h e r ed u r i n ga u s t r a ls u m m e r p c 0 2d i s t r i b u t i o ns h o w ss p a t i a l a n dt e m p e r a lv a r i a b i l i t y n l es i n km a g n i t u d ec a nb es e q u e n c e da s ：t h es o u t h a t l a n t i cs e c t o r s o u t hg e o r g i aa n dt h ef a l k l a n di s l a n d t h ea n t a r c t i c p e n i n s u l a i n n e rp a r to ft h ep r y d zb a y s o u t hi n d i a ns e c t o r w e d d e l ls e a o u t e rp a r to ft h ep r y d zb a y 3 u s i n gam o d e lo fc 0 2f l u x ，t h en e tu p t a k eo fa t m o s p h e r i cc 0 2i nt h e a n t a r c t i co c e a ni s0 0 6 8 g t c ，0 0 7 2g t c ，0 0 71g t c ，0 0 7 4g t ci nd e c ，19 9 9 ， j a n ，2 0 0 0 ，d e c ，2 0 0 4a n dj a n ，2 0 0 5r e s p e c t i v e l y t h ea n n u a ln e tu p t a k ei nt h e a n t a r c t i co c e a ni s0 4 7 6g t c ，0 4 8 9g t c ，0 5 1 1g t c ，0 5 1 8g t ci n1 9 9 9 ， 2 0 0 0 2 0 0 4a n d2 0 0 5r e s p e c t i v e l y , w h i c hc o n t r i b u t e s2 5 t ot h et o t a lu p t a k e i nt h eg l o b a lo c e a n n en e tu p t a k eo fc 0 2i nt h ea n t a r c t i co c e a ni n c r e a s e s a n n u a l l ye s p e c i a l l yi nt h er e g i o n 舔as t r o n gs i n k ，t h ew e d d e l ls e a , s o u t h g e o r g i a , f a l k l a n di s l a n d s ，t h ea n t a r c t i cp e n i n s u l aa n dt h es o u t ha t l a n t i c s e c t o r , w h i l ei nt h es o u t hi n d i a ns e c t o r , t h en e tu p t a k eo fc 0 2d e c r e a s e s k e yw o r d s ：c a r b o nf l u x e s ；r e m o t es e n s i n g ；t h es o u t h e r no c e a n ； 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。本人在 论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标明。 本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。 声明人( 签名) ： 确苏嘻 湘，g 年占月；d 日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大学有权保留 并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子版，有权将学位论文用 于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的 内容编入有关数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的 学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 保密( ) ，在年解密后适用本授权书。 ， 2 不保密( ( 请在以上相应括号内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期：8 年岁月d 日 日期： 淅8 年j 月；o 日 逄普 翌v，眵 删嗽 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究意义 1 1 1 南大洋碳循环的重要性 自工业化革命以来，由于人类本身的生产和社会活动，主要是化石燃料的大 量消费，森林的大面积砍伐，化学肥料和含氯氟烃类气体的大量使用等过程，使 得向大气中排放的温室气体急剧增加。大气中温室气体浓度的增加( 见图1 1 和 图1 2 ) ，引发了一系列的生态和环境问题，造成全球变暖，臭氧层空洞，海水酸 化以及生态系统破坏等一系列重大全球性环境问题，严重影响人类社会和经济的 发展。在全球气候变化的问题中温室效应已经成为一个重要的议题。美国m a o l a l o a 观测站2 0 0 8 年3 月的大气c 0 2 平均浓度为3 8 4 3 8 p p m ，是过去4 2 万年冰期 间冰期大气c 0 2 最高浓度2 8 0 p p m 增加了1 0 0 p p m ( 见图1 - 3 ) 。地球上的碳分别 储存在水圈、生物圈、大气圈和岩石圈中，其中海洋是调节大气中c 0 2 含量的 最大的碳库。据初步估计，海洋中储存的c 0 2 总量大约相当于大气中c 0 2 含量 的5 0 倍，相当于生物圈中c 0 2 总量的2 0 倍【。海洋通过生物、化学、流动和沉 积等过程不断吸收大气中的c 0 2 ，并输运储存于海底或转换成其他含碳物质2 1 。 通常把向大气排放c 0 2 的贮库称之为大气c 0 2 的源( s o u r c e ) ，简称为“源 ，反 之，则称为“汇( s i n k ) ，即大气c 0 2 的汇。研究大气c 0 2 的源和汇以及其在不 同贮库、圈层之间的迁移、输运及存在形式转化过程不仅对全球变化研究具有极 其重要的意义，而且对全球人类生活和各国指定经济和社会发展战略具有重大的 指导意义。 占地球表面积7 1 的海洋作为大气c 0 2 的主要汇，可吸收大量的人为碳，从 而缓和气候的变化。研究表明海洋每年能吸收2 0 a ：0 6 g t c 的c 0 2 ( 1 g t = 1 0 1 5 曲【3 】， 所以海洋碳循环是全球变化研究的核心之所在，海洋对调控大气c 0 2 的量具有 重要意义。其中占全球海洋面积2 0 的南大洋在全球碳循环自然源和人为源c 0 2 与大气之间的交换中起着关键的作用【4 , 5 , 6 】，南大洋对大气环流和大洋热盐环流的 重要性【7 】以及对海洋c 0 2 的吸收的重要影响【8 , 9 , 1 0 】，是大气c c h 的主要汇，每年 吸收1 2 g t c 的c 0 2 1 1 , 1 2 】。 第一帝镕论 南大洋汇的作用主要以5 0 。s 为中心，覆盖范刚从3 5 。s 到6 0 。s ，其中， 以人西洋扇区和印度洋扇区最为强烈，东a 平洋扇区较次 13 1 。而覆盖世界海洋 而积1 0 的5 0 。s 以南的海域，占全球海洋汇对碳吸收的2 0 1 1 4 。受现场调查 条件的限制，6 0 。s 以南的海区与大气中c 0 2 的变换的确却作用还不确定”1 。 3 8 0 言3 7 。 e3 6 0 d u 3 5 0 3 4 0； 丽砂 ： 8 1 ”8 5 8 58 88 78 88 9 9 。”9 y 2 e 9 a 3r 9 4 9 5 辨9 7 9 9 。0 “。2 。3 。4 。5 hi - ie 图：全球平均大气c 0 2 变化趋势图，红色线代表k 期趋势 下图：伞球平均人气c 0 2 增长速率 图表味源逝世地幽业盟韭业丝型型盟g g 一妥ed)“ou 罔1 - 2 人气和海洋c 0 2 气体增长趋势 m 1 ： t h a 嘲州s 祈哪6 图1 - 3 冰芯中的冰期和问冰期大气c 0 2 浓度旋回和人为c 0 2 影响。 南大洋作为潜在重要碳汇和由于大量吸收c 0 2 而引起的海水酸化问题，引起 了国际l 的关注。但观测表明，南大洋的表层海水的p c q 分布表现了很大的变 化性，受到水文、气象、海洋物理、化学和生物等要素的影响。因此，仅靠有限 的调查船调查很难获得对整个南大洋海气c 0 2 通量的准确评估。 ，l|l富t，t。ii宣，! 一暑eou#兰o； * 第一章绪论 1 1 2 用卫星遥感数据估算碳通量的研究意义 海气界面碳通量通常用以衡量海洋对大气c 0 2 吸收的能力，是一个影响因 素非常复杂的量。计算海气界面之间的碳源汇情况是大气研究的一个重要的基 础。其中计算碳通量的方法之一是通过计算海气c 0 2 交换系数k 和海气之间的 c 0 2 分压差1 7 】。方法之二是通过测量大气中b c 1 2 c 同位素比值的变化 1 8 , 1 9 】 或大气中0 2 n 2 比值【3 】来估计陆地生态系与大洋对吸收大气c 0 2 的相对贡献。 海气之间c 0 2 的分压差是进行海气交换的直接推动力，是使用最早和最广、积 累数据最多的研究大洋碳汇的一种行之有效的方法。传统的计算海气c 0 2 通量 需要高密度的海上调查测量碳通量计算所需要的各个海洋要素。 如果利用现有的航线上的p c 0 2 的数据与相关影响因子之间的经验公式在时 间和空间上进行插值获得整个计算海区的数据的方法，则将大大减少海洋调查的 次数和频率2 0 1 。海洋卫星遥感是全球观测系统中的一个重要组成部分【2 l j 。海 洋遥感所具有的大范围实时同步、全天时、全天候多波段成像技术优势，在大面 积同步测量、高时空分辨率的实时动态监测方面的优势是无可比拟的，全球海洋 卫星遥感能提供海表层温度，风速和风向，水色以及基于水色测出的叶绿素浓度 等要素的观测数据 2 2 】。 相比于现场观测数据，卫星数据不仅能够获取整个海区日、周、月和年度尺 度的碳循环相关参数的观测，而且能够从物理( 海表温度、风场和表面高度) 、 化学( 颗粒有机碳和溶解有机碳) 和生物( 叶绿素和初级生产力) 等角度，对海 气c 0 2 通量的调控机制进行分析，减少海气c 0 2 通量估算的不确定性。卫星数 据对于了解和定量研究全球碳循环动力过程是个重要的数据补充。 4 第一章绪论 1 2 研究背景 1 2 1 海洋现场资料获取的局限性 海洋面积广大，而且海况复杂，实行现场海洋调查需要投入大量的人力，物 力和财力，调查时间周期长。传统的海洋调查在资料获取、信息处理等方面存在 较大局限，难以进行多变量同步控制观测；海洋环境变化周期长、信息量大，难 以取得理想的可控制数据，在实时处理上也有很大的困难1 2 3 1 。常规的海洋观测 手段无法做到全面、深刻的获得海域内计算碳通量所需的海洋要素，也无法反映 全球大洋尺度上的过程和变化规律。海气碳通量受复杂的物理水文和生物化学 过程的影响，由于调查数据在时间和空间上的限制，目前对全球大洋碳通量时空 变化分布的了解还存在很大的不确定性【2 4 1 。 南大洋是大气c 0 2 的重要汇区，海域面积辽阔，横跨三大洋( 印度洋，太平 洋，大西洋) ，然而由于海况恶劣，现场资料获取比较困难。相比于全球其他海 域，受现场调查实施的条件限制和复杂多变的气候条件影响，传统的极地海洋要 素获取的数据只是零散的站位点或者航线上的数据，无法做到全面的大尺度长时 间系列的调查，南大洋的海洋现场调查数据相当缺乏，使得海气碳通量的精确 估算存在很大的难度。 上世纪九十年代的现场观测和模式研究，南大洋5 0 。s 以南海区估算每年吸 收了大约0 1 。0 6g t 的碳【1 4 】。但是相对全球大洋每年吸收量的2g t 的碳的估算， 这个误差是很大的。研究表明，海气c 0 2 的通量估算误差主要是由季节变化( 包 括季节性风场变化) 引起的，这种季节变化表现在海冰覆盖和融化所带来的生物 地球化学循环特征变化和物理生物相互作用的变异。南大洋的现场调查主要集 中在夏季，冬季则由于大面积的海冰覆盖和严酷的气候使得现场调查很难实现。 因此，提高南大洋碳吸收通量估算的精确度，解决对南大洋全年的时空实测技术 和方法问题是至关重要的。 1 2 2 卫星遥感数据应用的选择 海洋遥感不受地表、海面、天气和人为条件的限制，可以探测地理位置偏远、 环境条件恶劣等不能直接进入的海区。其次，它的宏观特性使它能进行大范围海 洋信息的获取，能周期性的监测海洋水色、海面温度场的变化等【2 5 】。从宏观的 5 第一章绪论 角度，利用水色水温遥感及微波遥感等多源遥感资料，通过p c 0 2 与海洋要素之 间的经验关系外推研究海区的心0 2 的值，研究海气二氧化碳通量的时空分布格 局及其调控机制，不仅能够节省调查成本、扩展实测数据覆盖范围、获得偏远海 区的观测数据、提高信息时空分辨率，而且能够对全球大洋的碳通量分布有更直 观定量的认识，从而全面宏观的认识海洋碳的源汇格局变化及其对全球气候变化 的贡献和响应。卫星数据能做到在时间和空间上最好的覆盖，能够得到连续的长 时间尺度和大空间尺度的数据资料，因此能够对现场点或线的观测数据进行外 推。 根据w a n n i n k h o f ，1 9 9 2 【2 6 j 的碳通量计算公式，f = k x ( p c 0 2 砌- p c 0 2 3 w ) ，计算 海气c 0 2 通量的两个主要参数，一个是海气交换系数，另一个是大气和海水中 的正0 2 分压型2 2 1 。海气交换系数k 通常是由距海表面l o 米处的风速和海表温 度、盐度计算而来的，海表层水的c 0 2 分压差则要观测海水及大气中的c 0 2 分 压等要素。 表层海水p c 0 2 主要是受物理水文和生物活动影响，通过长期的研究表明， p c 0 2 与海表层水温和表征生物活动的叶绿素之间存在一定的经验关系【2 0 2 4 2 7 】， 利用经验关系从卫星上获取计算海域相应的水温和叶绿素数据反演p c 0 2 的数据 场，并进一步计算海域的碳通量变化。然而受表层海水物理、化学以及生物过程 的影响，在不同时间和空间尺度，p c 0 2 的调控因子也不同，因此外推p c 0 2 的经 验公式因海区而异。 水温及叶绿素数据由中国的h y - la 胖1 b c o c t s 卫星、美国的 t e r r a a q u a m o d l s 、s e a s t a r s e a w i f s 卫星和欧空局e n v i s a t m e r i s 、 n o a a a v i - i r r 等光学遥感卫星获得。 风速数据由美国q u i k s c a t s e a w i n d s 卫星、欧空局e r s a m i 和 m e t o p a s c a t 卫星以及美法合作的t o p e x p o s f i d o n 等微波遥感卫星获得。 卫星数据时间尺度的选取依具体研究海区而定。通常在热带海域或远离陆地 海域可以选取周平均，甚至是月平均、季平均的数据，能够体现较长时间内海域 对碳吸收源汇分布的状况。而在极地海域，由于日夜温差变化大，由此带来的生 物活动变化显著，因此对极地海域的研究需采用日平均的卫星数据。卫星数据空 6 第一章绪论 问尺度的选取则依海区大小和研究精度而定。 卫星数据可能因为云污染或者大气中的气溶胶影响而存在误差 2 0 l ，因此下 载的卫星数据应与实测航线上相应的数据进行误差校正。 1 3 研究动态 目前我国学者对卫星遥感数据的极地应用主要是在海冰变化【2 8 2 9 1 、海洋温度 场、海浪和航海f 2 9 1 等方面，并进一步用于海洋初级生产力的评估【3 0 3 1 1 ，而对南大 洋的大尺度碳通量评估研究工作则尚未开展。近十几年来，国外学者尝试将卫星 数据用于评估碳通量的研究，取得了一些进展。在南大洋海域和热带海域都进行 相关的研究，通过计算获得研究海域的碳源汇分布情况，与实际海区的的物理及 生化影响的分布基本符合，对碳通量的分布有定量、直观的认识。 上世纪后期，美国在开展全球海洋通量联合研究计划( j g o f s ) 研究时，为 了改进对海洋生物在全球碳循环和气候系统中所扮演的作用的认识，从1 9 9 7 年 1 0 月至1 9 9 8 年3 月间在南大洋海区开展了4 个航次调查【3 2 1 。他们观测到明显的 叶绿素升高海区分别在接近后退的冰缘区、主要锋区和太平洋南极洋脊海区。认 为这种升高的叶绿素海区是由于中尺度物理与生物相互作用的结果。他们对卫星 反演叶绿素浓度与现场精确的叶绿素观测进行比较，虽然s e a w i f s 相对船上观 测数据偏低，但是两者有着较好的相关性( f = 0 7 2 ) 。 r a n g a m a 等【2 4 】用卫星数据计算了南大洋4 5 。s 到6 0 。s ，1 2 5 。e 到2 0 5 。e 之间的海域的碳通量。利用卫星遥感的海表层水温和叶绿素数据。把研究区域分 成几个小的生物地球化学的区域。在叶绿素水平低的区域，p c 0 2 和海表层水温 呈负相关关系，表明c 0 2 主要受水文混合过程影响。在叶绿素水平大于0 3 7 m g m 3 的区域，p c 0 2 与叶绿素呈负相关关系，表明p c 0 2 的变化主要受生物活动对 碳的固定的影响。根据p c 0 2 和s s t 的关系以及p c 0 2 和c h l a 的关系，并利用 卫星遥感得到的风速计算海气界面气体交换系数，计算出研究海域内p c 0 2 的场 和海气c 0 2 的通量。 o l s e n 等用卫星数据在加勒比海进行了碳通量的计算。在其研究中指出，水 7 第一章绪论 色信息能够扩展经验内插公式在区域和季节上的应用【2 0 1 。该研究建立了海表层水 的心0 2 与海表层水温度及经纬度相关的经验关系式【3 3 】。并指出亚热带环流的海 域，海水表层的p c 0 2 与s s t 数据之间有很好的相关关系，在s a r g a s s o 海，冬 季的北大西洋北部海域，阿拉伯海，赤道和北太平洋海域可用该研究使用的方法 计算碳通量。 e t c h e t o 等 3 4 1 用卫星数据计算了1 0 0 。w 左右的东赤道太平洋海域的碳通量。 东赤道太平洋海域是世界上主要的c 0 2 源区，在全球碳循环中具有重要的作用。 该研究利用1 4 个航次的数据获得的资料与1 9 9 1 年到1 9 9 5 年四年间的卫星遥感 数据进行耦合，内插出整个海域的p c 0 2 的值并计算碳通量。 c o s c a 等【2 7 】利用p c 0 2 与s s t 之间的关系计算了1 9 9 2 年到2 0 0 1 年十年间中 部和东部赤道太平洋9 5 。w 到1 6 5 。e ，1 0 。n 到l o 。s 之间海域的季节和年际 碳通量。推导出来的p c 0 2 - - s s t 之间的关系式与卫星测得的温度进行耦合，计 算得出在中部和东部赤道太平洋p c 0 2 的时间和空间上的分布场及海气界面的 碳通量。 l o u a n c h i 等【3 5 1 利用卫星数据与气象资料模拟计算出在1 9 8 6 年到1 9 9 4 年间， 平均南大洋c 0 2 吸收是0 5 3 g t c y 。 t a k a h a s h i 等【1 4 1 利用1 9 5 6 年到1 9 5 9 年国际地球物理年期间获得的海表层水 西0 2 共9 4 0 ，0 0 0 个数据，根据水平的二维表层海水对流扩散运输方程进行内插 得出全球海洋4 0 x5 0 网格的p c 0 2 数据场，在此数据的基础上，利用卫星遥感数 据测得的风速以及其他相关的卫星数据换算得到的大气中的西0 2 值计算全球 c 0 2 通量的分布图。并在分布图的基础上，分析各海域的c 0 2 吸收的主要调控因 子。 o n o 等学者【3 6 1 在太平洋1 5 。n 到5 5 。n ，1 3 0 。e 到2 1 0 。e 的海域，利用卫 星遥感s s t 和c h l a 数据推导出研究海区海盆尺度上的海表层水0 2 的数据分 布。s a r m a 等学者【3 刀通过心0 2 与c h l a 和s s t 及s s s 多参数算法计算了北太平 洋海盆尺度1 - 拘p c 0 2 数据分布。m a r kp s t e p h e n s 等学者【3 8 】在船载数据和遥感数 据的基础上通过p c 0 2 与s s t 之间的相关关系估算了北太平洋海气碳通量的分 布。 第一章绪论 1 4 研究目标 中国南极科学考察已经开展了2 0 多年，对南大洋有常年观测航次。在海洋 生态学研究，包括叶绿素浓度、初级生产力等参数的获取和分析 3 9 , 4 0 , 4 1 1 已经积累 了大量的极地大洋考察资料。在海气c 0 2 通量的测量和研究方面 4 2 - 4 6 ，初步建 立了p c 0 2 在不同海区和不同月份的不同控制因子关系。 观测数据表明，南大洋的夏季和开阔的海冰融化区仍然是海洋对大气c 0 2 吸收的主要季节和海区【1 4 】。因此，我们利用中国南极科学考察1 6 航次和2 l 航次 两个航次现场走航观测资料，推导出表层海水c 0 2 分压与c h l a 浓度及海表层水 水温s s t 之间的经验关系。根据遥感数据c h l a 和s s t 推导出南大洋5 0 。s 到 7 5 。s 、6 0 。w 到8 0 。e 之间南极海域在两个航次相应时间内( 分别在1 9 9 9 年 1 2 月 - ，2 0 0 0 年0 1 月和2 0 0 4 年1 2 月一 2 0 0 5 年0 1 月) 表层海水心0 2 分压数据 场的分布，并利用卫星遥感风速数据得到海气交换系数k ，卫星遥感表层海水 水温数据和由n o a a 全球海洋数据中心提供的大气c 0 2 观测数据，表层海水盐 度数据建立南大洋海气碳通量的一维网格时空评估模型，得出该海区的海气碳 通量时空变化分布情况，并计算海区月平均碳吸收能力，提高南大洋在全球海洋 碳通量计算的精确度。 1 4 1 主要研究内容 1 拟合p c 0 2 与相关调控因子c h l a 和s s t 之间的经验关系 2 分析研究海区叶绿素的周平均时空分布情况 3 分析研究海区海表层水水温的周平均时空分布情况 4 分析研究海区海表面1 0 m 处的风速周平均时空分布情况 5 分析研究海区海表层水盐度的周平均时空分布情况 6 计算研究海区周平均的海一气p c 0 2 分压差时空变化分布 7 计算研究海区周平均和月平均的海一气碳通量时空分布情况 8 计算研究海区周平均和月平均尺度上对大气c 0 2 的吸收能力 9 从碳通量时空分布结果讨论海一气碳通量调控机制分析 9 第一章绪论 1 4 2 本研究的创新性 1 从大面积宏观的角度研究分析南大洋碳通量的时空分布 2 从定量上更精确的计算了南大洋对c 0 2 的吸收能力 3 从模式的角度分析南极海域0 2 的影响因子 1 0 第二章研究海域及其特征 第二章研究海域及其特征 2 1 研究海域介绍 本研究的海域为5 0 。s 7 5 。s ，6 0 。w 8 0 。e ，即南极海域( t h ea n t a r c t i c o c e a n 3 5 】) ，为1 6 航次和2 1 航次期间雪龙船往返中山站和长城站之间航线所经 过的海域。计算时间为1 9 9 9 年1 2 月，2 0 0 0 年1 月，2 0 0 4 年1 2 月和2 0 0 5 年1 月。 航次起止时间和航线为： 1 6 航次( 1 9 9 9 年1 1 月到2 0 0 0 年4 月) ，上海一澳大利亚一中山站一长城站 一蓬塔一澳大利亚一新加坡一上海。 2 l 航次( 2 0 0 4 年l o 月到2 0 0 5 年3 月) ，上海一香港一澳大利亚一中山站一 长城站一阿根廷一中山站一澳大利亚一上海。 航次航线如图2 1 和图2 2 所示。蓝色线代表从中山站到长城站的航线，红 色线代表从长城站到中山站的航线。 第一g 究海域肚1 c 特“ 6 航次( 中山站一长城站) 、l 一 固p m - z _ f p r 口y m b c p 。z ) 囵m f s l t - c fz m s z j 1 - s r c t cfr 口n t s f 】 2 - p o b - f 。【f p f i 3 - r nh m - c o n t 岫 图2 11 6 航次中山站一长城站航线图及南大洋亚系统分布圈 第：章研究海域特 2 1 航次( 中山站长城站) 囝 口 团 p o b ff 吣ef p 尼l p 呐o h 伽z o m f p o i h2 0 m f s t 7 l c s i as 恤f c c s t ) 1 - s l ar c l cfr o o lf s q 2 o ff r i f p f i 3 - n l l m nd 哪 - c o n 0 b 图2 - 22 1 航次中山站一长城站航线图及南大洋亚系统分布图 22 研究海域的水文特征 南大洋的水文结构特征是复杂而多变的。等密度面向南极方向的发展很不均 匀，产生一系列的阶梯模式或锋面”。这种特殊的水文结构随之产生了许多性质 不同的区域( 见图2 - 3 ) 对南大洋碳循环的变化有着显著而复杂的影响。这四 个主要区域从北至南依次是：极锋区( p f ) 、永久开阔大洋区( p o o z ) 、季节性 冰区( s 1 z ) 、以及近岸与陆架区( c c s z ) 。由于海冰区环境在南大洋生物地球化 学碳循环、热通量、对气候的影响及反馈等各种过程中的重要性，因此对整个南 大洋的碳循环研究可以主要分成无冰区与海冰区两大区域。在南大洋季节性海冰 第二章研究海域及其特征 区，生物影响逐渐成为p c 0 2 的主控因子，与s s t 不再有相关性【4 5 1 。 按照锋面系统的排列划分，从北到南主要的锋面和区域划分依次是：亚热带 锋( s t f ，s u b t r o p i c a lf r o n t ) 、亚南极区( s a z ，s u ba n t a r c t i cz o n e ) ，亚南极锋 ( s a f ，s u ba n t a r c t i cf r o n t ) 、极锋区( p f z ，p o l a rf r o n tz o n e ) ，极锋( p f ，p o l a r f r o n t ) 、南极区( a z ，a n t a r c t i cz o n e ) ，再往南，近南极大陆还有两个环南极锋： 南极绕极流南部锋( s a c c f ，s o u t h e r na n t a r c t i cc i r c u m p o l a rc u r r e n tf r o n t ) ，以 及a c c 的“南部边界”( s b ，s o u t h e r nb o u n d a r y ) 。大量的证据表明，由于锋结构 产生的水文动力学差异，使得南大洋不同纬度带及各亚系统在营养盐( 主要是硅 酸盐) 及水体的垂直稳定性上差异显著，继而影响浮游植物生产力【删。特别是极 锋，对硅酸盐浓度的纬向分布有着决定性的影响和作用4 9 1 。极锋区是一个独特的 海洋环境，其中某些地区出现了整个南大洋浮游植物生物量及初级生产力的最高 值。 本研究的海域主要是位于季节性海冰区、永久开阔大洋区和极锋区。 2 3 研究海区p c 0 2 调控因子分析 近年来的大气和海洋的相关研究表明，大洋对大气c 0 2 每年有一个相对大的 吸收量- 2 g t c 【删。其中，南大洋占了很大的比例。在整个南大洋，心0 2 的控 制因素十分复杂，s a b i n e 和k e y 等学者【5 l 】在南太平洋的分析表明，南大洋与碳 系统有关的过程包括有热通量、淡水通量、有机生产降解、碳酸盐沉降溶解、 海气交换以及混合；但在不同的南大洋亚系统，各个因子所起的作用又各不相 同，在不同的季节，主控的过程也不一样。例如，夏季生产季节，生物的影响可 以逐渐上升成为主导作用，而在其它时间里，物理过程则比较重要。另外，在极 锋区、亚南极锋区等水文区，物理混合的影响表现十分显著。g i b s o na n dt r u l l 等学者【1 5 】的研究认为气体交换也因海冰的形成而受到限制。南大洋并不是一整个 均一的海区，表现在其生物地球化学的区域与不同的水文区域广泛相关，与水文 学的机制( 如图2 3 所示) 有着广泛的密切联系，这种水文变化特征成为不同海 区的主控因素f s 2 】。 海洋对大气c 0 2 的吸收主要通过物理和生物泵( p h y s i c a lp u m pa n dt h e 1 4 # 究海域h j e 朴 b i o l o g i c a lp u m p ) 口【】“溶解泵”和生物泵l 5 3 5 7 】，如图2 4 所小。浮游植物通过光 台作片j 过程吸收营养女和c o ! ，其生产的有机碳部份通过食物链d 上层人洋循 环t i _ f 份沉膊到海底。海洋是一个巨大的碳酸 缓冲系统，赴海洋与大气之问 能够发生c 0 2 海气快速交换，对c 0 2 有着极好的吸收作州。物理泉就是海一 气界面气体交换及将c 0 2 运移入深层大洋的物理过程驱动。人气l 】的c 0 2 通过 气体交换进入大洋主要依赖于风速与海- 气界而c 0 2 气体的分压左。海水吸收c 0 2 的量也是温度的函数，其对c 0 2 溶解度的影响表现为：溶解度随温度的降低而 升高因此冷水比暖水能吸收更多的c 0 2 。 图2 - 3 南大洋表屡水阻下午要水闭分布、经向环流和海计目互作川