（环境科学专业论文）近海环境表层海水pCOlt2gt周日变化及控制过程.pdf

摘要 变化幅度约为1 0 肛t m ，以厦门湾、深沪湾为代表的海湾河口区域的p c 0 2 变化 幅度为5 0 - 1 5 0 肛a t m ，而西沙群岛珊瑚礁生态系统的p c 0 2 的周日变化幅度高达 6 0 0p a t m 以上。在不同海域，控制p c 0 2 周日变化的物理和生物地球化学过程也 不尽相同。在我们的研究区域，开阔海区的p c 0 2 周日变化主要受到温度控制， 海湾、河口等海域则主要受到潮汐海流的影响，在珊瑚礁生态系统中，生物的 新陈代谢及相关过程决定了p c 0 2 周日变化的规律和方向。 在周同尺度上存在的p c 0 2 变化幅度显然会影响在更长时间尺度上对海气 c 0 2 通量的估算。根据我们的定量评估，在陆坡等开阔海域，由p c 0 2 周日变化 可能带来的最大误差约为士o 4 8m m o lcm 。2d ，约相当于此类海域通量的5 0 ； 在海湾河口区域，周日变化带来的误差可能为士2 1 9 6 5 8m m o lcm 之d ，约占 通量的9 2 7 ；而在珊瑚礁海域，此类误差则可能高达士8 7 7 2 6 3 lm m o lcm 之 d - 1 ，超过其实际通量水平。 关键词：周日变化；c 0 2 通量；c 0 2 传感器 a b s t r a c t a b s t r a c t t 1 1 ec o n s t r a i n to fa i r s e ac 0 2n u x e sa n dt h e i rv 撕a b i l i t ya tv 撕o u st i m ea n d s p a t i a ls c a l e sr e m a i nac e n t r a lt a s ki nt h eg l o b a lc a r b o n 砒1 dc l i m a t es t u d i e s c o a s t a l o c e a nm a yr e p r e s e n to n eo ft h eh o ts p o t s ，w h i c ht y p i c a l l ye x e r t sp o o r l yc o n s t r a i n e d a n dd e b a t e da i r - s e a0 0 2e x c h a n g er a t e s t h ee x t r e m eh e t e r o g e n e i t ya n dd y n 锄i c n a t u r eo fc o a s t a lo c e a n sc r i t i c a l l ya f f e c tt h er e l i a b i l i t yo fr e p o n e dc 0 2f l u xd a t a t ou n d e r s t a n dh o wa n dt ow h a te x t e n tt h ep c 0 2d i u m a lv 撕a t i o n sm a yi n n u e n c e t l l ee s t i m a t i o no fa i r s e ac 0 2n u x e s ，i ti sv e 巧i m p o r r t a n tt o c l e a r l yi d e n t i 黟t h e m e c h a n i s m st h a tc o n t r o l t h es u r f a c es e a 、v a t e rp 0 0 2d i u m a lv 撕a b i l i 吼h i g hr e s o l u t i o n t i m e s e r i e so b s e a t i o no nd i u r n a ls c a l ei st h em o s td i r e c ta n de f f e c t i v em e a n st o t u d yi t t h i ss t u d ya t t e m p t st oe x a m i n ed i u m a lv 撕a t i o n so fs u r f a c es e 抓，a t e rp c 0 2a n d i t sp o t e m i a li m p l i c a t i o n so nt h ee s t i m a t eo fa i r s e aa d 2n u x e s e x p e r i m e n t s 、e r e c o n d u c t e di nav 撕e t yo fe n v i r o 啪e n t a ls e t t i n g ss u c ha sa tx i 锄e nb a y ( x i 锄e n ， c l l i n a ) ，s h e n h ub a y ( s 1 1 i s m ，c h i n a ) ，x i s h ai s l a n d s ( ac o r a lr e e fs y s t e mi nm es o u t h c h i n as e a ) a s 、v e ua si nt h es l o p eo ft h en o r t h e ms o u t hc h i n as e a e x p e r i i n e n t s 、e r e c o n d u c t e dw i t ha na u t o n o m o u sf i b e ro p t i c a lc h e m i c a lp c 0 2s e n s o ra n da ni n f r a r e d c 0 2a n a l y z e re q u i p p e dw i t has h o 、e rh e a de q u i l i b r a t o r as e n s o rs y s t e ms u i t a b l ef o rm o n i t o r i n gc h a n g e si np o d 2i ns u r f a c es e a w a t e ro r i nt l l ea t n l o s p h e r eh a sb e e nd e v e l o p e d s u a c es e a w a t e rs 锄p l e sa r ep u m p e di n t oa p v ct u b ee n c l o s i n ga ni n n e rt e f l o na ft u b e ，w h i c hs e r v e da sal o n gp a t h l e n g m g a s - p e r n l e a b l el i q u i d c o r ew a v e g u i d ef o rs p e c t r o p h o t o m e t t h et e f l o nc e l lc o n t a i n s ap hs e n s i t i v ei n d i c a t o r _ b u f r e rs o l u t i o nc o n s i s t i n go fb r o m o t h y m o lb l u e ( b t b ) a n d s o d i 啪c a r b o n a t e c a r b o nd i o x i d ei nt h es a m p l ed i m l s e si n t ot h ei n d i c a t o r b u f r e r s o l u t i o nt or e a c he q u i l i b r i u m ，r e s u l t i n gi np hc h a n g e s ，w h i c ha r ed e t e c t e db yc h a n g e s i nt h ea b s o r b a n c eo fb t ba tw a v e l e n g t h so f6 2 0a n d4 3 4m t h ep c 0 2i nt h es 锄p l e i st h e nd e r i v e df r o mt h ep hc h a n g e t h es e n s o rh a sar e s p o n s et i m eo f2m i n sa tt h e 9 5 e q u i l i b r i u mv a l u ea n dam e a s u r e m e n tp r e c i s i o no f0 2 6 一o 3 7 i nt h er a n g e2 0 0 a b s t r a c t t o8 0 0 “a t mp c 0 2 t h i sc h e m i c a ls e n s o rt a k e sa d v a n t a g eo fac o m b i n a t i o no fl o n g p a t h l e n 舀h ，m u l t i p l e 、v a v e l e n 班hd e t e c t i o n ，i n d i c a t o rs o l u t i o nr e n e w a l ，a i l di n s i t u a u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g y ，a n dh a st h ef _ e a t u r eo fl o wp o 、e rc o n s u m p t i o n ( t h e a v e r a g eb e i n g 4w w i t hap e a ko f 8w ) t h r o u g hs e a w a t e rp 0 0 2t i m es e r i e so b s e a t i o n sa l o n gw i t ht h es u r f a c ew a t e r c h e m i s t w eo b s e n ，e ds i g n i f i c a md i u m a lc h a j l g e so fs u r f a c ep c 0 2r a j l g i n gf b m 1 0 “a t mi nt h eo i i g o t r o p h j cs c s ，5 0 - 1 5 0 肛a t mi nx i 锄e nb a ya n ds h e n h ub a y ，u pt o a sh i g ha s6 0 0 鹏t mi nt h ec o r a lr e e fs y s t e ma tx i s h ai s l a j l d s p r o c e s s e st h a tm o d u l a t e m ep c 0 2d i u m a lv 撕a t i o n sa r es i g n i f i c a n t l yd i 虢r e n tb e t 、v e e ns i t e s ，w h i c hc a j lb e g r o u p e di n t o t h r e e c a t e g o r i e s ：t e m p e r a t u r ec o n t r o l ， t i d ec u r r e n tc o n t r o la j l d b i o l o g i c a lc o n t r 0 1 t h i sd i u r n a lp c 0 2v 撕a t i o nm a yc a u s es i g m f i c a i l tb i 2 l si nt h e e s t i m a t eo fc 0 2a i r - s e an u x e si fn o tp r o p e r l yc o n s i d e r e d af i r s to r d e ra n du p p e rl i m i t e s t i m a t ep o i n t st o w a r d su n c e n a i n t i e so f 士o 4 8m m o icm 之d 。1a tt h es l o p e ，w h i c h a c c o u n tf o rn e a r i y5 0 o ft h ef l u xu n c e n a i n t i e sf o ro p e na r e a si nt h em a 略i n a ls e a s t h eu n c e r t a i n t i e sc a u s e db yd i u m a lv 撕a t i o n si ne s t u a l y b a ya 1 a si s 土2 19 6 5 8 m m o lcm 2d ，a c c o u n tf o r9 2 7 o ft h ef l u xmt h er e g i o n so fm i sn a t u r e i nc o r a l r e e f s ，t h eu n c e r t a i n t i e sc a nb ea sh i g ha s 士8 7 7 2 6 3lm m o lc m 2d ，m u c hh i g h e r t h a ni t sn e tf l u x k e y w o r d s ：d i u m a lv 撕a t i o n ；a i r - s e ac 0 2n u x ；c 0 2s e n s o r i v 目录 图目录 图1 1 全球c 0 2 收支平衡图3 图1 2c 0 2 海气交换液膜扩散模式示意图7 图1 3 不同研究者发布的气体交换速率和风速的关系8 图1 4 光纤化学c 0 2 传感器研制的技术路线示意图一l4 图1 5 本研究的总体设计简要框图1 5 图2 1 各测量及采样站位地理位置l6 图2 2 厦门湾观测站点位置1 8 图2 3 深沪湾观测站点位置1 9 图2 4 西沙永兴岛地形图2 0 图2 5 西沙群岛区域海底地形图2 0 图2 6 水气平衡非分散红外法p c 0 2 测定系统简图2 2 图2 7 采样实测d o p h 和y s i 自动记录数据对比一2 4 图3 1c 0 2 感应模块简图3 2 图3 2 指示剂溴百里酚蓝( b t b ) 的吸收光谱3 5 图3 3 传感器的结构示意图3 7 图3 4 传感器的响应时间3 9 图3 5 仪器的实验和理论响应温度相关关系一4 0 图3 6 仪器的实测工作曲线和理论工作曲线4 2 图3 7 传感器的长期稳定性实验结果4 3 图3 8 传感器与水气平衡器非分散红外p c 0 2 系统现场对照实验结果一4 5 图3 9 深沪湾现场实验结果4 6 图4 _ l 南海北部表层海水p c 0 2 ，d o ，温度及盐度周日变化图5 0 图4 2 加s 妇p c 0 2 、t 、c 0 2 和t p c 0 2 的相互关系5 2 图禾3 厦门湾周日观测妃0 2 与潮汐数据5 3 图4 42 0 0 4 年1 2 月3 4 日厦门湾表层海水p c 0 2 周日变化5 4 图4 52 0 0 4 年1 2 月1 3 1 4 日厦门湾表层海水p c 0 2 周日变化5 5 图4 62 0 0 4 年1 2 月1 1 1 4 日厦门湾表层海水d o s a t 和盐度5 6 图4 _ 7 厦门湾和深沪湾潮位比较5 7 图4 - 8 深沪湾表层海水p c 0 2 、潮位、海表温度及盐度周日变化观测结果5 8 图4 9 西沙周日观测实验中的部分参数的周日变化情况6 0 图4 _ 1 0 日光辐射和s s t 相对时间变化趋势6 2 图4 - 1 12 0 0 6 年2 月2 4 2 6 日原位p c 0 2 ( i ns i t u p c 0 2 ) 及校正后的p c 0 2 ( n p c 0 2 ，n o r m a i i z e d p c 0 2 ) 6 3 图4 1 21 a 与d i c 周日变化情况6 7 图4 1 3 不同控制因子对表层海水j 口c 0 2 的贡献7 0 图4 - 1 4 实测p c 0 2 变化幅度和分别由光合呼吸作用、钙化，溶解过程及温度变化单独引起 的变化幅度之和的相关性7i 表目录 表2 1 各次现场观测实验地点、时间及平均潮差1 7 v i i 目录 表3 1 国际同类研究与本研究在仪器的主要特性上的对照分析 表3 2 传感器的分析精度 2 9 表3 3 仪器的长期稳定性统计数据4 4 表4 - l 本研究观测及相关文献报道的表层海水p c 0 2 、水温及d o 周日变化幅度综合比较 v i i i 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) ：j 鬈卯叨 勿 一7 | 年z 一月厢 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“”) 竺嘉薹茎：翥i 导师签孙删日期： 年 年 月 月 日 日 第l 章绪论 第l 章绪论 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。目前，虽然对大洋的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【1 训。 本研究通过观测不同近海环境表层海水的c 0 2 分压( p c 0 2 ) 的周日变化， 揭示其变化规律，分析其内在控制过程和机制，并探讨了周日变化对海气c 0 2 通量估算的潜在影响。 与此同时，针对日渐增加的长期自动周同观测和时间序列观测的需求，研究 开发现场测量的新方法、新技术，也是对海气c 0 2 通量研究的有效帮助和促进， 因此，研究开发新型的海气p c 0 2 测量系统也是本研究的主要目标。 1 1 准确定量海气c 0 2 通量的意义 在工业革命以前约4 2 万年中，全球大气c 0 2 的平均浓度随冰期和间冰期的 转换在1 8 0 3 0 0 “l l 【】之间作周期性变化，然而工业革命后大气c 0 2 有迅速升高 趋势，目前仍在持续增长之中，例如2 0 0 1 年大气c 0 2 浓度为3 7 0 “l l 【6 引，2 0 0 3 年达3 7 5 0 7 “l l 【9 】，2 0 0 4 年达到3 7 7 3 8p l l 【l o 】。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，各国政府、科学家及公众强烈关注这一重大环境问题。 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。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。海洋作为地球 表层最大的碳库成为人们关注的焦点。 对于陆地或海洋与大气之间的能量和物质通量的定量研究是生物地球化学 循环的重要内容，海气间的气体交换通量特别是c 0 2 交换通量的监测、估算对 我们深刻理解碳的生物地球化学循环以及全球气候变迁有重大意义。但迄今为 第l 章绪论 止，无论是陆地还是海洋，碳循环研究仍存在诸多不确定性12 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，但其吸收大气c 0 2 的量每年只有2 0 亿吨碳， 由此，全球碳收支估算不能平衡，从而也引出了全球碳循环中所谓的“碳失汇” 问题。“碳失汇( m i s s i n gc a r b o ns i n k ) ”是近二、三十年来众多研究者力图明确的 问题，最早由研究全球碳循环模型的科学家提出【1 3 ，1 4 1 。所谓的“碳失汇”是指 人为排放的c 0 2 显著大于大气中留存量及转移到己知汇中的量【1 5 。17 1 。近年来， 随着陆气碳通量观测的大规模展开，人们对陆地碳汇的大小有了新的认识，并 认为陆地生态系统( 尤其是中高纬度的陆地生态系统) 的碳库有所增加【1 8 ，19 1 ， c 0 2 的排放量与其在各个储库中的收支接近平衡。但不同研究者给出的数值仍有 较大的差异，碳通量估算的不确定性依然存在。徐小锋等总结了1 0 篇文献对“碳 失汇”的大小的估算，范围约在o 2 4 op gca 1 之间【2 0 】，另外，也有研究者估算 的“碳失汇”高达4 7p gca - 1 【2 1 1 ，由于人为排放的c 0 2 有比较详尽的社会经济 统计数据可供参考，因此数据的估算是可靠的；大气中的c 0 2 混合较为均匀， 而且大气中的c 0 2 浓度测量相对简便，准确度高，因此大气中留存的c 0 2 数量 也能精确地测量；准确估算海洋和陆地的碳收支，揭示“碳失汇的去向及大小， 掌握海气c 0 2 通量的大小和变化规律是理解碳循环以及未来气候变迁的关键。 2 f l u x o f c a r b o n ( p gc ，y r ) 瑁萋：“- lln p ir e i e a i er r or n i a n d - u e e ( h a l l q e _ i _ _ 1 iu n l d e n 锄卸5 m kj _ ：国。一一m _ 一一一一一n 。n ：4 | 一一+ 一 耨# 蛔* 。 ；一、 e 5 0 8 6 51 粕ol 曲51 9 1 09 2 5i 讪01 9 5 5t 9 阳1 蜘5 如0 0 图l 一1 全球c 0 2 收支r 衡圈，依颜色山深及浅的顺序分* n 代表空气中存留的 c o 二、化石燃料群放出的c 0 2 、海洋吸收的c 0 2 、土地利用净释戚的c 0 2 、“碳 失汇h 2 ”。 时年令同，令球不同储库的碳收支估辩：尚不能甲衡，f ；蝣通量的估算依然存在 很大的小确定陆。由此，2 0 0 1 年，喇陌、地幽生物幽汁划( i g b p ) 、世界气候研究 汁划( w c r p ) 、全球环境变化幽际人文冈索“划( i h d p ) 和_ ：物多样陆叫际“ 划( d i v e r s i t a s ) 甬次联合启动伞球碳汁划( 0 c l ，) 吲，j 核心目标在j 一降低 全球碳通釜聃算的小确定性。 当时还有计多研究汁划丘u 表壕海洋与低腻人7l 研究( s u r 盘c eo c e a nl o w a t m o s p h c r cs c u d y ) 、北美陛训j ( n o n ha 唧c 虮c a r b o np r 。g r a m ，n a c p ) 2 4 i 等什j 划及个球海洋碳脱驯系统( ( j l o b a l ( ) c e a nc a r h n n0 b s e r v a t j o ns y s t e m ) 吲、人k 懂c o ：观测划( l a r g es c a l ec o ! o b s e r v a c l o np l a n ) o ! ”等观测汁划的 核心题部是，虾气c ( ) 二的交换。 1 2 现有海气c o ：通量估算方法综述 somm一掣- *co；!：e3uu 第1 章绪论 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气c 0 2 通量进行估算。此外，根据卫星遥感数据，结合 一定的数值模型分析来对区域及全球的海气c 0 2 通量进行估算是当前研究的新 方向，虽然还不算成熟，但极具研究前景。 对于实测法计算海气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气c 0 2 通量，其中测量海气 p c 0 2 的手段主要有水气平衡非分散红外测量法和原位传感器观测法，两种方法 各有其优缺点及适用范围，本研究对此二种方法均有应用。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 通量，这其中 又以涡动相关法( e d d yc o v 撕a j l c e ) 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【2 7 3 4 1 。 本文的主要目的是通过对表层海水p c 0 2 周日变化的观测来研究c 0 2 控制机 制，并评估其对当前海气c 0 2 通量估算的影响，因此，首先对估算海气c 0 2 通 量的不同方法作一简要综述。 1 2 11 4 c 或其他示踪法 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 的海气交换速率、通量及其在混合层和深海混合过 程( 这一过程是海洋吸收人为源c 0 2 的主要控制过程) 【3 5 1 。这类模型首先假设： 1 、工业革命之前( 1 8 5 0 年之前) ，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 的分布处于稳念，即大气输入的1 4 c 和衰变的1 4 c 相等，那么 海气之i 、日j 的1 4 c 交换平衡可简单用下式表示【3 6 】： 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 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( 混 4 第l 章绪论 合层) 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。 19 7 0 年代开展的g e o s e c s ( g e o c h e m i c a lo c e a ns e c t i o ns t u d y ) 研究对1 4 c 的大规模调查极大促进了应用该法估算全球c 0 2 海气通量的研究，许多研究者 在这方面作了大量工作，模型得出的全球海洋碳汇的大小基本在2p gc 矿1 左右 【3 5 3 7 1 。 1 2 20 2 法( t h em i r m ri m a g ea p p r o a c h ) 假设在工业革命较短时期前( 如数百年) ，全球各碳库之间处于动态平衡， 人为活动( 化石燃料燃烧、植被破坏等) 产生的c 0 2 是打破这种平衡的主要驱 动因素，这些c 0 2 最终去向主要有3 个，即大气、海洋和陆地。人为排放量可 通过社会经济活动的记录中得出较准确的值，对于大气中c 0 2 浓度也能较精确 地测定，但对于c 0 2 在海洋和陆地中的收支目前还难于准确估算，通过测量大 气中0 2 浓度来计算c 0 2 在海洋和陆地中的收支是方法之一。 化石燃料( 如煤炭、石油、天然气) 燃烧产生的c 0 2 和消耗的0 2 有一定的 比例关系，例如1 9 9 0 年代全球化石燃料燃烧产生的c 0 2 和消耗的0 2 约为l o ： 1 5 【3 6 1 ，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【3 8 】( 这也是该方法的基本假设) ，这样，计算大气0 2 的收支就 相对简单多了。 该方法的缺点是由于大气中0 2 含量比c 0 2 高3 个数量级( 约2 0 9 0 0 0 a t m ) ， 而由化石燃料燃烧导致的0 2 浓度下降仅为5 阻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 l i n g 采 用的分解空气色散( o p t i c a ld i s p e r s i o n ) 微小变化的方法【3 9 ，4 0 1 ， s o w e r s 则采用质 谱方法【4 。值得一提的是，该方法忽略海气0 2 交换也可能造成误差【4 2 1 。 第l 章绪论 1 2 31 3 c 1 2 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 c 的相对浓度下降。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，从而估算全球海气c 0 2 交换通量【3 5 1 。 1 3 c 1 2 c 法的缺陷是c 0 2 海气交换过程中也会发生同位素分馏现象，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。 采用放射性或稳定同位素以及0 2 方法估算的全球c 0 2 海气交换通量( 1 9 9 0 年约为2 0p gca 1 ) 比海气界面c 0 2 分压差法实测计算的全球c 0 2 海气交换通 量( 1 9 9 0 年约为1 op gca 1 ) 高约一倍【4 4 ，4 5 1 ，比做a h a s l l i 最新估算的1 6 4p gc a 1 【4 6 ，4 7 1 也高出较多。 1 2 4 海气界面c 0 2 分压差法 海气界面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，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： f = 后( 【c 0 2 木】- 确c 0 2 p c 0 2 海献气) = 七舶c 0 2 p c 0 2 表层海水一p c 0 2 海酞气) 式中f 是c 0 2 在海气界面的净通量，七是界面气体传输速率，又称为“活 塞系数”，酶c 0 2 为c 0 2 在海水中的溶解度【4 引。这种简化处理是建立在图1 2 所 示的双膜扩散模型的假设之上，即：c 0 2 只在海气界面1 0 1 0 0 “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1 章绪论 写 p c 0 2 8 打 大气混合层 a 弋和2 疵。搿 c b 2 c 、憾t 盯 喀 海水混一 c w a l e r p c 0 2 w 砒盯2 撇k 图1 2c 0 2 海气交换液膜扩散模式示意图l 镐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，即c 0 2 在海气界面的传输 速率，这就牵涉到c 0 2 在海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 及、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。 目前的研究均假定k 主要为风速的函数，现场观测确定气体传输系数与风速 函数关系的方法有l o 余种之岁4 9 1 ，常用的有1 4 c 0 2 方法【5 0 1 和2 2 2 r n 亏损法【5 1 1 ， 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系【4 8 ，5 2 羽】，由 于上述原因，k 值一方面缺乏足够精确的现场实测数据，另一方面，不同研究者 之间的结果差异巨大，尤其是在高风速区间( 1 2ms 1 ) ，如图1 3 所示，客观 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。 7 第1 章绪论 w i n 出p d ( a tl o r n ) m s 。l 图1 3 不同研究者发布的气体交换速率和风速的关系0 3 5 i 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。更为严重的是，如 将不同的k 值引入气候模型，其预测结果存在显著差异。为了准确估算全球海洋 c 0 2 通量，减少模型预测不确定性，有必要探索更合适的通量测量方法并采用统 一、准确的c 0 2 交换系数应用于模型设计。 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等，常用的主要是前4 种5 5 ，5 6 1 。微气象学方法 特点【55 j ：l 、有较大的代表性( 根据下挚面及地形) ；2 、便于长期连续观测。 微气象学方法中的各种通量测量方法应用相当广泛，其中，涡动相关法被普 遍认为是当前最理想的微气象学方法，因为它在原理上不基于任何假设，不需要 8 第l 章绪论 任何经验参数( 如海气c 0 2 交换系数) 的方法，所需数据全部基于实测，计算 方法有较为完整的理论论证。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日益受到重视，相关的技术难点逐渐被解决，在船载 自动观测方面有巨大应用前景。 涡动相关法的优点在于它能在较大的风速范围内迅速测定一个界面的气体 传输通量，即通过在一定频率条件下同步测定垂直方向风速和c 0 2 密度的变化， 将这些变化值累计得出一定时间的c 0 2 、水汽等净变化通量【5 7 】。并且，由于该方 法直接测量海面大气中c 0 2 的湍流通量，它能通过测量各种属性的湍流脉动值 来直接测量它们的通量，和其他方法相比，它并不是建立在经验关系基础之上， 或从其他气象参量推论而来，而是建立在所依据的物理原理之上，是一种直接测 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 在海气通量数据。它不受平流条件限 制，相对其他方法较为精密可靠【5 引。 总之，涡动相关法通过直接估算二氧化碳通量增进了我们对控制通量的坏境 因子的理解，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少【5 9 】。 综上所述，各种方法均有其优缺点和适用范围。当前区域及全球海气c 0 2 通量的估算主要采取现场实测结合数理统计的方法，p c 0 2 的测量则主要采用水 气平衡非分散红外检测法【6 们。虽然涡动相关等直接测量方法及原位传感器技术 分别是海气c 0 2 通量及p c 0 2 测定极具前景的发展方向，但目前限于的研究水平， 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 衡非分散红外测量方法。因此，本研究的重点着眼于对船载走航观测在海气c 0 2 通量研究中( 尤其是对于近岸海域的研究) 的不足进行深入分析，评估由此产生 的通量估算误差。在p c 0 2 的测量手段上仍采用成熟的水气平衡非分散红外检测 法为主，同时因应以浮标为载体的长期周日时间序列自动观测的需要，我们研 发了一种新型原位p c 0 2 传感器，并将其应用到实际观测中，取得了良好的阶段 性成果。 9 第1 章绪论 1 3 周日时间序列观测及控制机制研究现状 如前所述，尽管经过2 0 多年的的深入研究，虽然各种估算方法得出的海气 碳通量在量级上都比较接近，但仍存在较大的误差，如当前被广泛接受的基于走 航实测数据的c 0 2 海气年净通量为1 6 4 飑ca 。1 ( p e t a g r a n l s ，lp g = 1 0 1 5 莎锄s ) 【4 6 ，4 7 1 ，1 9 9 0 年代基于大气中0 2 和c 0 2 浓度变化观测估算的2 o 士0 6p gca - 1 【3 8 6 ，或基于模型计算的约2p ga - 1 【6 2 科】，因此，我们对全球碳循环中的源汇机制 尤其是海气c 0 2 通量大小仍不能准确描述，在近年越来越受到重视的边缘海区 域更是如此【1 ，3 ，6 5 。6 7 】，甚至连通量的方向( 是源还是汇) 都尚在争议之中【2 ，6 引。 碳失汇等问题的存在，一方面受限于现场观测数据的数量和质量，一方面源 于对影响碳的生物地球化学迁移转化机制的缺乏了解。现今用于通量估算的海气 p c 0 2 数据绝大部分来自船载走航观测，船载走航观测在空间覆盖度方面具有优 势，但它测定是特定空间的瞬时值，由于很多物理和生物地球化学参数均具有显 著的周同变化，船载走航观测在时间尺度上的代表性可能会受到影响，例如当船 载走航观测数据被用于估算某一航次代表的整个海区在航次时间内的通量时，必 然要作出某些假设，假设航次测定的同步性，显然，如果存在周日等短时间尺度 的变化，这种同步性的假设就不一定正确。 可见，更准确地界定海洋碳通量需要从更小的时间尺度上对海气碳通量进行 研究7 0 1 。对表层海水p c 0 2 的周日观测即是一个很好的实现手段，它对于我们 更好地理解海洋碳循环，制定更加合理的采样策略，避免或减小测量误差等都具 有极其重要的作用【7 1 1 。不同时间空间的数据越多，估算的误差就会越小，然而 由于人力物力等因素的限制，我们不可能无限制地增加观测的时间空间密度，因 此，在进行更多的现场观测以积累更多的数据的同时，研究分析控制海水中p c 0 2 变化的机制，更准确地将特定时间特定地点的实测数据外推到更大的时空范围也 是减小通量估算误差的一种方法。本论文的主要内容之一就是通过在不同海洋环 境中进行p c 0 2 及相关参数的周日观测来研究分析影响p c 0 2 变化的控制机制， 同时，根据表层海水中p c 0 2 的周日变化幅度大小对据此计算c 0 2 海气通量值的 潜在误差做出评估。 对表层海水p c 0 2 的周同观测时间序列观测己在全球范围内有一定的开展。 l o 第l 章绪论 例如在著名的h o t ( h a w a i io c e a nt i m e s e r i e s ) 和b a t s ( b e n n u d aa t l a n t i c t i m e s e r i e ss t u d y ) 海洋观测站都已经开展了很长时间的多参数时间序列观测， 其中也包括表层海水p c 0 2 在内，准确地记录了这些海域的长期变化情况。但绝 大多数b a t s 和h o t 的时间序列观测都是以月和半月为间隔周期的阮7