（环境科学专业论文）南海夏季海表pCOlt2gt及海气二氧化碳通量遥感研究.pdf

摘要 据对八月的南海( 1 0 5 - - 1 2 0 。e 。1 0 - - 1 5 0 n ) 二氧化碳海- 气通量进行估算，上升流 事件对上升流海区碳通量的贡献约为2 4 6 ，对整个研究海域碳通量的贡献约为 1 2 。 关键词：南海：碳通量；卫星遥感 a b s t r a c t a b s t r a c t d e t e r m i n i n gt h ea i r - s e ac 0 2f l u xi se s s e n t i a li ns t u d y i n gt h eg l o b a lc a r b o n c y c l i n ga n dt h ec l i m a t ec h a n g e u pt od a t e ，t h ea i r - s e ac 0 2f l u x e sa r ep r i m a r i l y e s t i m a t e db ys h i p b o a r dm e a s u r e m e n t so ft h ea i ra n ds e as u r f a c ep c 0 2o n r e s e a r c hc r u i s e s ，w h i c ho b v i o u s l yh a v el i m i t a t i o n so fs p a t i a la n dt e m p o r a l c o v e r a g e a ne m p i r i c a la p p r o a c hi sp r e s e n t e df o rt h ee s t i m a t i o no fp a r t i a lp r e s s u r e o fc a r b o nd i o x i d e ( p c 0 2 ) a n da i r - s e ac 0 2f l u x e si nt h en o r t h e r ns o u t hc h i n a s e a ( s c s ) i ns u m m e ru s i n gs a t e l l i t e d e r i v e ds e as u r f a c et e m p e r a t u r e ( s s t ) 。 c h l o r o p h y l l - a ( c h la ) c o n c e n t r a t i o n ，a n dw i n df i e l d t w oa l g o r i t h m sw e r e a t t e m p t e d t h ef i r s t o n eu s e da ns s td e p e n d e n te q u a t i o n ，a n dt h eo t h e r h a v i n gc h lai n t r o d u c e d r e g r e s s i o ne q u a t i o n sw e r ed e v e l o p e df o rs u m m e r b a s e do n ns # ud a t ao b t a i n e di nj u l y ，2 0 0 4 u s i n gt h em o n t h l ya v e r a g es s t a n dc h laf i e l d sd e r i v e dr e s p e c t i v e l yf r o mt h ea v h r r ( a d v a n c e dv e r yh i g h r e s o l u t i o nr a d i o m e t e r ) a n ds e a w i f s ( s e a v i e w i n gw i d ef i e l d o fv i e w s e n s o r ) ，m o n t h l yp c 0 2f i e l d s w e r ec o m p u t e d t h ed e r i v e d p c 0 2w e r e c o m p a r e dw i t ht h es h i p b o a r dp c 0 2o b s e r v a t i o n sc o n d u c t e di nj u l y ，2 0 0 0 t h a t o n ed e r i v e df r o mt h es s td e p e n d e n t a l g o r i t h mr e s u l t e di na r o o tm e a ns q u a r e e r r o r ( r m s ) o f2 5 1p a t m ，w h i l et h eo t h e rd e r i v e df r o mt h es s t c h ia d e p e n d e n ta l g o r i t h mr e s u l t e di nar m so f4 6p a t m t h i ss u g g e s t st h a tt h e s a t e l l i t e - d e r i v e dp c 0 2w a si ng e n e r a la g r e e m e n tw i t ht h e ns i t uo b s e r v a t i o n s w h e nt h es s t - c h laa l g o r i t h mi sa p p l i e d t h ep c 0 2d i s t r i b u t i o ni nt h en o r t h e r ns o u t hc h i n as e ai ns u m m e rf r o m 19 9 8t o2 0 0 5w a st h e ne s t i m a t e db ya p p l y i n gt h es s t c h lad e p e n d e n t a l g o r i t h m i ti ss h o w nt h a tp c 0 2i n19 9 8w a s 4 13 8p a t m ，w h i c hi st h eh i g h e s t a m o n gt h e8y e a r sa n di sp r o b a b l ya s s o c i a t e dw i t ht h es i g n i f i c a n tw a r me v e n t o c c u r r i n gi nt h es c si nr e s p o n s et ot h e19 9 7 19 9 8e ln i n o o nt h eo t h e rh a n d p c 0 2i n c o a s t a la r e a si sl o w e rt h a ni nt h eb a s i nw a t e r ，f o re x a m p l e ，t h e a v e r a g e dp c 0 2 i nt h eg u l fo ft o n g k i nw a sa p p r o x i m a t e l y3 8 0 l 上a t m 1 l i t h ea i r s e ac 0 2f l u xw a sf u r t h e rc o m p u t e dw i t ht h ea i do fm o n t h l ym e a n q u i k s c a tw i n ds p e e d t h ec 0 2f l u xw a sl o w e ri nt h ew e s t e r nr e g i o nt h a ni n t h ee a s t e r nr e g i o n ，a n da l s ow a sl o w e ri nc o a s t a la r e a st h a ni nt h eb a s i nw a t e r f o re x a m p l e ，t h ea v e r a g e ds e at oa i r0 0 2f l u xo f fv i e t n a ma n di nt h eg u l fo f t o n g k i ni sa p p r o x i m a t e l y3 5m m o lc 0 2m 2d a y l ，w h i l ei tr a n g e sb e t w e e n7 9m m o lc 0 2m 。2d a y i nt h en o r t h e a s t e r ns c s u p w e l l i n gf r e q u e n t l yo c c u r si nt h es c s ，w h i c hm a yc h a n g et h es u r f a c e p c 0 2d i s t r i b u t i o nf r o mt h en o r m a is t a t e b a s e do nad a t a s e to b t a i n e df r o ma c r u i s es u n ，e yc o n d u c t e di nt h ew a t e ro f f s h o r ev i e t n a m ( w h e r eu p w e l l i n g o c c u r s ) i na u g u s t2 0 0 7 ，w ea t t e m p t e dt od e v e l o pas s l - - d e p e n d e n te m p i r i c a l f u n c t i o ns p e c i f i ct ot h eu p w e l l i n gw a t e r b ya p p l y i n gt h i sm o d e la n dt h ea b o v e s s t - c h lad e p e n d e n ta l g o r i t h mt o u p w e l l i n ga n dn o n u p w e l l i n gw a t e r s ， r e s p e c t i v e l y ，p c 0 2d i s t r i b u t i o nf o rt h ew h o l eb a s i ni na u g u s t2 0 0 7w a st h e n e s t i m a t e d t h er e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t hi ns i t um e a s u r e dd a t a ，w h i c hw e r e n o tu s e dt od e r i v ea l g o r i t h m sa n dw e r et h u sa ni n d e p e n d e n td a t a s e t ，r e s u l t i n g i nar m so f11 3p a t m t h ea i r - s e ac 0 2f l u xw a sa l s oc a c u l a t e d ，i n d i c a t i n gt h a t t h eu p w e l l i n ge v e n tw ed e t e c t e dm i g h tg i v ear i s eo fc 0 2f l u xb y1 2 f o rt h e w h o l es c sb a s i n ，w h e nt h ep o t e n t i a ls u b s e q u e n tb i o l o g i c a ld r a w d o w nh a dn o t b e e nc o n s i d e r e d t h er e s u l t sp r e s e n t e dh e r ea r en e v e r t h e l e s sp r e l i m i n a r y w ec o n t e n dt h a t m o r es h i p b o a r dd a t aa r en e c e s s a r yi nr e f i n i n gt h ee m p i r i c a la l g o r i t h m sa n d r e d u c i n gt h eu n c e r t a i n t y k e yw o r d s ：s o u t hc h i n as e a ；c a r b o nf l u x ；r e m o t es e n s i n g i v 厦门大学学位论文原创性声明 本人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其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) ： 笄家垡 2 ，舯r 年彳用日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦f - j s k 学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年 月日解密，解密后适用上述授权。 ( ) 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人( 签名) ：幸纽 之炉绰| 7 月7e t 、 l 第一章前言 第一章前言 工业革命以来，由于化石燃料使用等人为活动，导致大气二氧化碳的平均浓 度从过去4 2 万年中的1 8 0 - 3 0 0p u l e l 】上升到现在的约3 8 0p l l 2 , 3 j ( 图1 1 ) 。 目前大气c 0 2 已达4 0 万年来的最高值，全球不断升温，已对地球生态系统、人 类生存环境和社会经济可持续发展构成严重威胁。虽然大气中c 0 2 增加的原因 已经较为清楚，但是一直没有采取什么切实的行动来减少c 0 2 的排放，原因之 一就是寻求替代燃料价格昂贵。所以，如何把已经产生的过剩c 0 2 去除就更令 人感兴趣。据估算，人类活动每年向大气排放7 0 亿吨碳，其中约一半存留在大 气，另一半的去处和驱动机制是全球碳循环研究的核心科学问题【4 】。为了正确评 估人类活动对全球气候变化的影响，一个最重要的基本工作就是弄清人类活动的 温室气体排放量并提供准确的温室气体源汇排放和吸收清掣5 】。 海洋是地球上最大的碳库。海水储藏了3 8 万亿吨碳，是大气圈的5 0 倍、 陆地生态系统的1 9 倍。因此占地球表面积7 1 的海洋作为大气c 0 2 重要的汇 区网，对全球气候的变化具有关键性的调控作用，而海气界面c 0 2 通量是评估 海洋在全球变化中作用的前提和基础【7 】。准确定量海气c 0 2 通量并掌握其在不 同时空尺度上的变化是全球碳循环与气候变迁研究的中心任务之一。但迄今为 止，无论是陆地还是海洋，碳循环研究仍存在诸多不确定性【8 ，9 1 。 十几年前，国际i g b p 发起了有史以来最大的海洋调查计划全球海洋通 量联合研究( j g o f s ) 。j g o f s 以及相关国际研究计划1 0 多年的研究证实了 海洋在全球碳循环中至关重要的作用，经过世界海洋环流实验( w o c e ) 和全 球海洋通量联合研究( j g o f s ) 等国际大型海洋研究计划的努力，我们对大洋 的c 0 2 源汇作用问题已经有了比较深入的认识，但全球不同储库的碳收支估算 尚不能平衡，碳通量的估算依然存在很大的不确定性。由此，2 0 0 1 年，国际地 圈生物圈计划( i g b p ) 、世界气候研究计划( w c r p ) 、全球环境变化国际人 文因素计划( i h d p ) 和生物多样性国际计划( d i v e r s i t a s ) 首次联合启动全 球碳计划( g c p ) 1 1 0 1 。其核心目标在于降低全球碳通量估算的不确定性。当前 还有许多研究计划如表层海洋与低层大气研究( s u r f a c eo c e a nl o w 第一章前言 a t m o s p h e r es t u d y ) 、北美碳计划( n o r t ha m e r i c a nc a r b o np r o g r a m ，n a c p ) 【”】等科学计划及全球海洋碳观测系统( g l o b a lo c e a nc a r b o no b s e r v a t i o n s y s t e m ) 1 2 】、大尺度c 0 2 观测计划( l a r g es c a l ec 0 2o b s e r v a t i o np l a n ) 1 3 】 等观测计划的核心问题都是海气c 0 2 的交捌4 1 。 卫星海洋遥感是利用电磁波与大气和海洋的相互作用原理，从卫星平台观测 和研究海洋的分支学利1 4 1 。卫星海洋遥感为海洋观测和研究提供了一个崭新的 数据集。这个数据集覆盖了相当部分海洋环境参数和信息，包括海表温度、大气 水汽、叶绿素浓度、悬移质浓度、c d o m 浓度、重力异常、海洋降雨、有效波高、 海浪方向谱、海面白帽、内波、浅海地形、海面风场、海面油膜、海面污染、 c 0 2 海，气交换等方面。海洋遥感技术与传统的船舶、浮标数据相比，具有大面 积同步观测、时空分辨率较高、受天气和地理环境及人为因素限制小等无可比拟 的优势。由于卫星遥感数据在时空观测频度上的优越性，海洋遥感技术逐渐成为 一个不可或缺的观测手段得到广泛运用，在各国科学家研究海洋二氧化碳源汇机 制中发挥同趋重要的作用。 2 3 7 0 13 6 0 “ 一一j 州 3 ：一，= ，、- h n 一扒 8 18 78 j 牡8 5 耵8 e 9 _ 9 y 2 f 9 a 3 曰9 4 9 69 图1 - 1 ：上幽：全球平均大气c 0 2 变化趋势图 下图：全球平均大气c 0 2 增长速率 图来源址垭业业坚如趟出蛆旦；避业口 f i g 1 - 1 ：a b o r e ：g l o b a la t m o s p h e r ec 0 2c o n t e n tt r e n d b e l o w ：g l o b a la t m o s p h e r ec 0 1c o n t e n ti n c r e a s er a t e 3 2 一甍n 第一章前言 1 1 准确定量南海海气c 0 2 通量的意义 随着中国经济的高速发展，一次性能源需求不断扩大，所排放的二氧化碳也 逐年增多。按照国际环境署2 0 0 4 年1 2 月1 0 同的统计，中国二氧化碳排放量占全 球排放总量的1 3 ，全球排名仅次于美副1 5 1 ，因此中国的碳循环问题日益受到 国际社会的关注。目前，我们对中国陆地生态系统碳收支问题已有了一定程度的 认测1 6 。1 剑，但对于占- i r _ - i ：面积2 5 的海域的碳循环研究十分薄弱。深入研究中国 近海源汇过程有助于为中国的碳收支建立一个基于科学理论与数据的清单，以策 应“后京都协议时代给中国带来的巨大国际压力。 另一方面，目前虽然对海洋洋盆( b a s i n ) l 拘源汇量级有了较一致的认识，但对 近岸海域( m a r g i n a ls e a s 或c o a s t a ls e a s ) 仍缺乏足够的研究，目前还不能较 好地定量其通量大小，在源汇问题上也存在不少争议【2 0 氆】。 南海是全球主要的边缘海之一，是中国发展海洋经济的重要区域，同时也是 中国邻近海域碳收支的关键区域之一【z 4 1 。目前，南海海域己明显受到海运、油 气生产、污染排放等人类活动的影响【2 5 】。有研究表明，19 5 1 年至19 9 0 年，南海 海温升高了约0 3o c 2 6 1 。最近1 0 年来，南海上层更表现出年代尺度上的变暖，总 体趋势为0 1 5 。cy r ，由此导致南海海平面以1c my r l 的速率上升【2 7 1 。南海c 0 2 源汇过程以及碳循环如何响应这种气候变异尚不得而知【2 8 1 ，因此在南海开展碳 循环研究、准确定量海气c 0 2 通量意义重大。 1 2 现场测量估算海气c 0 2 通量的方法 目前估算海气c 0 2 通量的方法大体上可归为两类，其中一类基于物质守恒 原理在全球尺度上估算海气c 0 2 交换通量，如放射性同位素1 4 c 示踪法、碳的 稳定同位素比例法、通过测量大气0 2 的镜像法等；另一类则是采用各种手段实 测目标研究海域的海气c 0 2 通量，再通过统计的方法对区域乃至全球的海一气 c 0 2 通量进行估算【2 9 l 。对于实测法计算海一气c 0 2 通量，依据计算通量的手段 不同，又可分为间接估算和直接测量方法两类。间接估算法是目前最为广泛采用 的一种方法，主要通过采用各种测量仪器系统分别实测表层海水和海表大气中的 p c 0 2 ( c 0 2 分压) ，然后根据二者的差值及相应的交换系数来估算海一气c 0 2 4 第一章前言 通量，其中测量海一气p c 0 2 的手段主要有水气平衡非分散红外测量澍3 0 1 和原位 传感器观测法，两种方法各有其优缺点及适用范围。直接通量测量方法主要以微 气象学方法为主，在大气侧直接测量并计算海气界面c 0 2 ，这其中又以涡动相 关法为主要代表，目前已有众多研究者已经或正在进行各种实验测量，但仍处于 尝试阶段，并未进行大规模应用【3 1 3 刚。 1 2 11 4 c 示踪法 根据1 4 c 在海水中的垂直分布，并基于物质平衡及海水热力学、动力学原理， 可以通过建立模型估算c 0 2 的海一气交换速率、通量及其在混合层和深海混合过 程【3 7 1 。该模型基于以下假设：1 、工业革命之前，海洋既不是c 0 2 的源也不是汇； 2 、工业革命之前，海洋中1 4 c 的分布处于稳态，即大气输入的1 4 c 和衰变的1 4 c 相 等，那么海气之间的1 4 c 交换平衡可简单用下式表示【删： 进入海洋中的1 4 c 逸出海洋的1 4 c + 海洋内部衰减的1 4 c ( 1 1 ) 当大气c 0 2 由于化石燃料的燃烧逐渐增加的时候，c 0 2 在大气、表层海水及 深海之间平衡被打破，海洋中的天然及人为( 核试验产生) 1 4 c 就成为指示c 0 2 交换、校准此类海洋碳循环模型的最佳工具。研究者们应用该模型得出的全球 海洋碳汇的大小基本在2p gca - 1 左右【3 7 矧。 1 2 20 2 法 假设在工业革命前，全球各碳库之间处于动态平衡，人为活动产生的c 0 2 是打破这种平衡的主要驱动因素。化石燃料燃烧产生的c 0 2 和消耗的0 2 有一定的 比例关系因此，我们可以根据观测到的大气中0 2 变化量和从化石燃料燃烧计算 的变化量来估算海洋与陆地生物圈的碳收支，如果观测值大于计算值，则说明陆 地生物圈0 2 减少了，释放c 0 2 ；如果观测值小于计算值，则陆地生物圈吸收c 0 2 。 测量大气0 2 估算c 0 2 收支方法的优点在于地球上9 5 的0 2 存在于大气中，只有 5 存在于海洋中，因此，相对于c 0 2 ，0 2 的海气交换对大气中0 2 浓度的影响基 本可以忽略【4 0 1 ，因此计算大气0 2 的收支就相对简单。该方法的缺点是由于大气 中0 2 含量l l c 0 2 高3 个数量级( 约2 0 9 0 0 0p a t m ) ，而由化石燃料燃烧导致的0 2 第一章前苦 浓度下降仅为5p a t m 左右，准确测量难度相当大。直到上世纪9 0 年代初，准确 测定大气0 2 浓度的方法才有所突破，如k e e j j n g 采用的分解空气色散( o p t i c a l d i s p e r s i o n ) 微小变化的方法f 4 1 ，4 2 1 ，s o w e r s 采用的质谱方法【4 3 1 。值得一提的是， 该方法忽略海气0 2 交换也可能造成误差阻】。 1 2 31 2 c 1 3 c 比值法 由于植物优先吸收较轻的1 2 c ，而化石燃料来源于陆地植物，因此由化石燃 料的燃烧所释放的c 0 2 含有较低的1 3 c ，使大气中的1 3 0 拘相对浓度下降。通过测 量1 3 c ，1 2 c 的比值，可以估算出1 3 c 进入海洋的速率，从而估算全球海一气c 0 2 交 换通量f 3 7 1 。1 3 c ，1 2 c 法的缺陷是c 0 2 海一气交换过程中也会发生同位素分馏现象 4 5 】，这将给应用该法对海气c 0 2 交换通量进行估算时带来难以校正的误差。 1 2 4 海气界面c 0 2 分压差法 海一气界面c 0 2 分压差法是当前测量、估算海- 气c 0 2 通量最常用的方法。该 方法是采用间接计算( 一般通过海水碳酸盐体系的相关关系计算) 或实测( 一般 采用水气平衡非分散红外光度法) 的方法得到表层海水的c 0 2 分压值，同时测 量海表大气中的c 0 2 分压值，根据双膜扩散模型和f i c k 定律，利用二者之差结合海 气界面气体交换速率对c 0 2 交换通量进行估算，如下式所示1 4 6 】： f = k x ( - x ( p c 0 2 表层海水一j p c 0 2 海面大气) ( 1 - 2 ) 式中f 是c 0 2 在海一气界面的净通量，k 是海一气交换系数，又称为“活塞系 数”，常表述为风速的函数。k h 是c 0 2 在海水中的溶解度【4 7 1 。 该方法建立在双膜扩散模型( 图1 - 2 ) 的假设之上，即：c 0 2 只在海一气界面 1 0 1 0 0 p m 厚度的液膜中存在浓度( 或者分压) 梯度，在界面两侧则充分混匀， 然而实际上很多因素都将导致表层海水c 0 2 浓度( 或者分压) 在近表层不同深度 的变化，这就使这种以某一深度的测量值代替整个表层c 0 2 浓度( 或者分压) 值 的计算方法可能会导致较大的误差。 6 第一章前言 p c 0 2 鑫玎 大气混 a b 。，队，篇 g 海水混， 图1 2 ：c 0 2 海气交换液膜扩散模式示意图l 捣i f i g 1 2 c 0 2a i r - s e al i q u i dm e m b r a n e t r a n s f e rm o d e l 采用海气界面的c 0 2 分压差法估算海气界面c 0 2 通量时，大气和海水的 c 0 2 分压都有相对成熟可靠的方法，关键在于交换系数，而交换系数牵涉n c 0 2 在海一气界面迁移交换这个非常复杂的动力学过程，比如近表层水温周日变化、 盐度变化、碎浪作用、气泡作用、上升流变动、生物活动、表面温度效应、海表 风速、大气边界层性质等都对其有重要影响，而且这些控制c 0 2 在海气界面迁 移交换的各种控制机制和过程有显著的时间和空间变化。测定气体交换系数对设 备、技术都有较高的要求，费用也很高，限于条件，目前多数c 0 2 海气通量计 算都是直接引用经典文献给出的风速函数关烈4 3 1 。由于上述原n g 值缺乏足够 精确的现场实测数据，不同研究者之间的结果差异巨大( 图1 3 ) ，尤其是在高风 速区间( 1 2 ms 1 ) ，原因是高风速条件下现场环境恶劣，难以开展实验，而 且高风速持续时间一般很短，满足不了开展非直接通量测量方法的需要。因此， 当估算c 0 2 海气交换通量时，不同研究者由于采用不同的k 值或将相同的k 值应 用到不同的海域都将引起估算结果的不确定性。 7 第一章前言 2 2 2 0 2 0 0 1 8 0 1 6 0 互1 4 4 ) ，- 61 2 0 、- _ 1 0 0 8 0 4 0 2 0 0 05 1 01 5 2 0 u l o ( m s ) 图1 3 ：不同研究者发布的气体交换速率和风速的关系罔i f i g 1 - 3 ：r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt r a n s f e rv e l o c i t ya n dw i n d s p e e db yd e f e r e n c e s c i e n t i s t 1 2 5 微气象法 微气象学方法测量通量是基于大气热力学和动力学原理，通过对测得的有关 参数进行统计分析计算，得出所需通量值。微气象学方法包括涡动相关法、梯度 法( 空气动力学法) 、能量平衡法( 波文比法) 、质量平衡法、涡度积累法、条件 采样法以及对流边界层收支法掣2 5 5 一。涡动相关法在陆地植被等方面的应用已 有广泛开展，在海洋方面的应用也正同益受到重视，在船载自动观测方面有巨大 应用前景。由于该方法直接测量海面大气中c 0 2 的湍流通量，因而可以实现海 面大气中c 0 2 的湍流通量的直接测量。和其他方法相比，它不基于任何假设， 8 第一章前言 不是建立在经验关系基础之上，而是建立在所依据的物理原理之上直接测量湍流 通量的方法，因而能避免许多影响c 0 2 在海一气界面迁移交换的控制机制和过程， 有利于我们得到更为可靠的c 0 2 在海一气通量数据。涡动相关法通过直接估算二 氧化碳通量克服了在高风速条件下非直接方法的一些弊端，但当涡动相关法应用 于海气界面间的气体交换时，受到船体运动、船体对气流的干扰、目前仪器精 度等因素的限制，因此相关研究报导较岁5 7 j 。 综上所述，各种现场方法均有其优缺点和适用范围。虽然涡动相关等直接测 量方法及原位传感器技术分别是海一气c 0 2 通量及p c 0 2 ；y l j 定极具前景的发展方 向，但限于目前的研究水平，这些新方法和技术还处于研发和测试的阶段，尚无 法取代船载走航观测及水气平衡- 非分散e # f ；1 9 1 , j j 量方法冈。而依靠走航手段获得 的实测数据无法避免时间、空间的局限以及走航数据代表性等问题。于是，基于 现场实测数据的统计分析，借助遥感手段进行大尺度的海气二氧化碳通量观测 的方法越来越受到各国科学家们的关注。 1 3 遥感估算海气二氧化碳通量方法原理与研究现状 从上世纪九十年代开始，科学家们为了揭示全球海洋二氧化碳收支情况，在 绘制全球大范围海域二氧化碳通量分布图的研究上做了大量的工作。最为经典的 当数t a k a h a s h i 等利用自国际地球物理年( 19 5 6 1 9 5 9 ) 来近5 0 年来的实测数 据所构建的二氧化碳海气通量气候资料1 羽 5 9 , 6 0 】。由此人们对全球海洋二氧化碳 的收支情况有了一个直观的认识。由于该c 0 2 通量分布图是将各年份在不同海 区所观测到的数据通过基于横向二维对流扩散传输方程( 1 a t e r a l t w o d i m e n s i o n a la d v e c t i o n d i f f u s i o nt r a n s p o r te q u a t i o n ) 的插值法标准化到 1 9 9 5 年的c 0 2 海气通量f 6 1 1 ，得到分辨率为4 。x 5 。的c 0 2 海气通量分布图， 显然，它并非c 0 2 海气通量的实时分布情况，也就无法体现c 0 2 海气通量的 年际变化。更重要的是，对如此长时间跨度的所有数据做统计分析再标准化到某 一年份的方法本身也存在很大误差【6 2 1 。例如t a k a h a s h i 前后两次的计算结果差 距就有0 9 g tcy - 1 f 6 1 ，6 3 1 。 既要获得大面积的p c 0 2 分布，又要反映p c 0 2 分布的年际变化，应用遥感 9 第一章前言 手段是一个可行的方法。由于表层海水p c 0 2 主要受物理水文和生物活动影响， 通过长期研究发现，p c 0 2 与海表水温和表征生物活动的叶绿素之间存在一定的 经验关系 6 2 , 6 4 - 6 7 1 ，而海表水温和叶绿素等参数可以通过卫星遥感数据直接观测 到，这样就为实现海表p c 0 2 的大面、实时观测提供了前提条件。配合卫星风场 数据，能进一步实现对二氧化碳海一气通量的长时间尺度和大空间尺度的估算。 具体的计算方法在第三章作详细介绍。 科学家们围绕应用遥感各参数反演p c 0 2 分布展开工作。例如t a n s ， k e e l i n g 6 8 , 6 9 】等根据s s t ( s e as u r f a c et e m p e r a t u r e ) 与p c 0 2 的关系，用温度 参数来反映二氧化碳海表分压。s t e p h e n s 等( 1 9 9 5 ) 发展p c 0 2 的s s t 算法， 对每个季节分别建立算法，对于北太平洋的亚热带海区及其东北部，回归误差 ( r m s ) 为1 7 # a t m ，但是对西北部，回归误差r m s 升到4 0 儿a l m 。他把原因 归结于北太平洋西北部海区的生物活动导致遥感p c 0 2 失真【渊。 l a n d r u m 等指出s s t 单一参数还不足以完全反映北太平洋的p c 0 2 分布【7 0 1 。 i n o u e 和i s h i i 认为生物活动在北太平洋海区的海表碳循环过程中有着不可忽视 的作用，尤其是春季到夏初，生物活动会明显降低海表d i c p c 0 2 的含量 7 1 , 7 2 1 。 2 0 0 4 年，o n o 等以叶绿素a ( c h la ) 来反映生物活动对的海表p c 0 2 的影响， 用遥感s s t 和c h la 两个参数反演海表p c 0 2 分布，其结果在北太平洋亚热带 和亚北极区都取得了较好的精度，回归误差在两个区分别为1 4p a t m 和仃f a t m 【6 2 】 口 次表层高盐低温水与表层水的混合会导致表层水d i c p c 0 2 含量增加，因此 盐度可以成为p c 0 2 变化的一个指标。s a r m a r 在p c 0 2 遥感算法中加入s s s ( s e a s u r f a c es a l i n i t y ) 参数，用以计算北太平洋p c 0 2 的分布情况嘲。需要指出的是 由于目前尚无公开的卫星盐度数据，因此其研究所用的s s s 数据为实测盐度数 据的插值结果。 j a m e t 以混合层厚度( m i x e d 1 a y e rd e p t h ) 为指标来研究次表层水对表层水 p c 0 2 的影响，并以此思路结合遥感s s t 数据研究北大西洋海区海表p c 0 2 的季 节变动f 7 3 1 。另c h e n 和c a i 对夏威夷海域冷涡事件发生区的p c 0 2 与各相关参数 关系做了深入研列7 4 1 ，c a i 和l o h r e n z 等还对密西西比河口p c 0 2 遥感算法进行 l o 第一章前言 探索，提出以遥感c d o m 为参数计算河1 ：3p c 0 2 分布以揭示河流冲淡水对p c 0 2 的影响i 酬j 。 南半球大洋海区的二氧化碳通量遥感研究也已经展开【6 5 ，7 5 1 。r a n g a m a 7 s 等 用卫星数据计算了南大洋4 5 0 s 到6 0 0 s ，1 2 5 0 e 到2 0 5 0 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 gm 。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 la 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。中国南极科考 也已经开展了2 0 多年，陈立奇【7 6 】等在海气c 0 2 通量的测量和研究方面，初步 建立了p c 0 2 在不同海区和不同月份控制因子间的关系。在此基础上，许苏清【7 7 】 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，利用现场走航观测的 海表p c 0 2 和叶绿素、s s t 数据，推导出p c 0 2 与调控因子问的经验关系，并结 合q u i k s c a t 卫星遥感风速数据、a v h r r 海表温度数据和n o a a 全球海洋数 据中心提供的大气c 0 2 观测数据，对南极海区的海气碳通量进行估算。其结果 表明南极海域对大气c 0 2 吸收的贡献为2 5 。 遥感手段估算碳通量的局限在于，海表p c 0 2 不是一个可以直接实现遥测的 参数，s s t 和p c 0 2 之间的关系在全球范围内受时间和空间的影响而变化【7 踟， 而叶绿素与p c 0 2 之间的关系同样也有待于进一步研究。作为一种经验性的算 法，不可避免存在区域性和时间性。另一方面，由于遥感数据受天气、云层、气 溶胶等因素的影响经常出现部分数据缺失，这就导致研究海区碳通量状况很难做 到每天实时观测，因此大多数科学家的做法都是采用其研究海区的月平均遥感数 据作海表p c 0 2 的初略估算 6 2 , 6 4 , 6 6 ，这就导致了模型计算结果无法反映海表 p c 0 2 的日变化。 由此，用遥感技术来估算海洋碳通量的研究虽然还处于探索阶段，方法本身 也存在一定的局限性，但因其在时空覆盖度上具有巨大优势，逐渐成为各国科学 家的研究前沿和大势所趋。 第一章前言 1 4 研究设想、技术路线和目标 在国家杰出青年基金( # 4 9 8 2 5 1 1 1 ) 、国家自然科学基金( # 4 9 9 7 6 0 2 1 ， # 4 0 17 6 0 2 5 ) 、厦门大学近海海洋环境科学国家重点实验室新创新群体科学基金 的支持下，厦门大学海洋与环境学院海洋碳循环研究组( o c g ) 进行了大量的出海 现场调查，其中包括南海2 0 0 0 年、2 0 0 4 年、2 0 0 7 年三个夏季航次的实测数据。 这些现场实测数据的积累，使得建立适合于南海夏季的海表p c 0 2 反演经验模 型、估算c 0 2 海一气通量成为可能。 现场数据主要覆盖南海东北部海区以及西部( 越南以东) 的海区，可贵之处 在于取得了穿越冷涡的数据。故而本研究设想，对于基本无中尺度过程干扰的常 态条件下的南海表层水，以及对于冷涡发生条件下的南海表层水，分别进行遥感 经验模型的研究，尽可能准确地实现研究区域海气c 0 2 通量的估算。 计算原理是通过基于现场p c 0 2 与s s t 和叶绿素a 观测数据之间的经验关系 建立模型算法，由卫星遥感得到的整个研究海区的s s t 和叶绿素a 数据推算出 整个海区的p c 0 2 数据，结合其他相关的计算因子( 卫星遥感风场以及大气观测 c 0 2 分压) ，进一步计算海区的二氧化碳海气通量。技术路线如图1 4 所示。 第一章前言 现场实测s s t 现场实测c h l 口 大气p c 0 2 1r rr s c = f ( x ) p c 0 2 = f ( t s ) q u i k s c a t 风场 数据 r s s s t r sc h ia 上 ，r r k = f 吒 6 6 0 ) 邶 l 、 r1r 1p 1 1 5 论文结构 图1 4 ：技术路线图 f i g i 一4 ：t e c h n i c a lr o u t e 本论文第二章介绍研究区域以及其邻近区域的地理位置、气候等基本情况， 然后介绍本文采用的数据来源，首先对遥感数据源的观测原理、搭载卫星的状况、 性能指标各项参数等基本情况作详细介绍，接着对实测数据作一简单介绍，说明 采样地点、时间以及采样仪器。 第三章重点介绍应用遥感技术估算海表p c 0 2 以及二氧化碳海气通量的方 法、原理，并对计算结果进行验证筛选出最合适的算法。进一步将遥感数据代入 模型中计算南海北部海表p c 0 2 以及二氧化碳海一气通量，并结合文献资料对计算 结果进行分析。 第四章主要讨论南海中部越南东部海区的上升流现象对海表p c 0 2 分布的影 响，并应用遥感手段鉴别出上升流海区，进一步对上升流海区的海表p c 0 2 分布 进行模拟计算，结合现场资料探讨上升流对海表碳酸盐体系的影响。 第五章总结本论文的主要结论并提出一些尚未解决的科学问题以及需要改 进之处，以便未来工作的拓展。 第二章研究区域背景与数据 2 1 关于南海 2 1 1 南海的地理位置 第二章研究区域背景与数据 南海位于亚欧大陆东南部，太平洋西部( 0 2 4 5 0 n ，9 8 5 1 2 2 5 0 e 之间) 。 是北太平洋西部面积最大的一个半封闭的边缘海。是我国南部最深的近海。南海 的面积约为3 5 0 多万k m 2 ，平均水深1 2 1 2 m ，中部深海平原中最深处达5 5 6 7 m 。 南海北接中国，南i i 囱；b n 里曼丹岛和苏门答腊岛，西到中南半岛，东至菲律宾群岛，