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。     

利用卫星遥感技术估算区域性海-气CO_2通量研究综述

海-气CO2通量的估算是碳循环研究的重要内容。随着卫星遥感技术的发展和外推算法的不断改进,基于海表层水CO2分压的调控影响因子,在不同的海域发展了不同参数的海表p CO2遥感外推算法,获得了区域性多时空尺度长时间序列的海域碳"源-汇"时空变化特征。本文针对单参数算法、双参数算法和多参数算法的发展过程和存在问题,综述了主要海区海-气CO2通量遥感外推算法的研究现状,并评述了在南大洋和北极海域利用遥感算法进行海-气CO2通量研究的应用。     

中国第26次南极考察南大洋碳通量评估

南大洋是大气CO2的重要汇区,而近几十年来这个汇出现了明显变化并成为了研究的热点。利用中国第26次南极考察期间雪龙船绕南极航行所获得的现场碳及相关参数观测数据,分析推导出海水pCO2及其主控因子(叶绿素和水温)之间的经验关系,并结合相关卫星遥感数据建立遥感外推算法,计算南大洋50°S以南海区碳通量分布,评估该海区对大气CO2的吸收能力。计算结果表明,2009年11月从90°E到90°W(顺时针方向),50°—75°S海域为CO2输送大气的弱源,平均输入大气通量为9.482 mol·m-2·month-1,碳释放量为0.001 779 5×1015gC;2009年12月从90°W—90°E(顺时针方向),50°—75°S海域为吸收大气CO2的弱汇,平均碳通量为-12.451 mol·m-2·month-1,碳吸收量为0.026 656×1015gC。将经验关系推导至该月份的50°—75°S整个南大洋的计算中发现,2009年11月南大洋为大气CO2的源,碳释放量为0.002 789 6×1015gC;在2009年12月南大洋为大气CO2的汇,碳吸收量是-0.003 503 5×1015gC。相比之前我们所观测的结果,南大洋的碳汇吸收能力呈现明显下降。     

南大洋二氧化碳源汇分布及其海-气通量研究

在 1 999年 1 2月 - 2 0 0 0年 2月“雪龙”号科学考察船往返于中山站和长城站期间 ,进行了大气及海表层 CO2 分压的连续测量。研究结果表明 ,在 80°W- 0°- 80°E之间 ,南大洋基本上是大气 CO2 的汇 ,尤其在 45°W- 3 0°W及 1 0°W- 1 0°E之间 ,是 CO2 的强汇区 ,往返的两次观测结果十分相似。观测发现 ,南大洋 1月份吸收大气 CO2 的能力近两倍于 1 2月份 ,这是由于该海域1月的生产力比 1 2月份高 ,因而反映了初级生产对大气 CO2 吸收的显著影响。利用最新的 K值计算方法表明 ,1月份二氧化碳的入海通量为 3 .98mol/(m2 · a) ,1 2月份的为2 .1 3 mol/(m2 · a) ,综合两个月的值平均 ,南大洋夏季 CO2 的平均通量为 3 .0 6 mol/(m2 · a) ,是南半球夏季一个重要的汇区     

南大洋二氧化碳源汇分布及其海-气通量研究

在 1 999年 1 2月 - 2 0 0 0年 2月“雪龙”号科学考察船往返于中山站和长城站期间 ,进行了大气及海表层 CO2 分压的连续测量。研究结果表明 ,在 80°W- 0°- 80°E之间 ,南大洋基本上是大气 CO2 的汇 ,尤其在 45°W- 3 0°W及 1 0°W- 1 0°E之间 ,是 CO2 的强汇区 ,往返的两次观测结果十分相似。观测发现 ,南大洋 1月份吸收大气 CO2 的能力近两倍于 1 2月份 ,这是由于该海域1月的生产力比 1 2月份高 ,因而反映了初级生产对大气 CO2 吸收的显著影响。利用最新的 K值计算方法表明 ,1月份二氧化碳的入海通量为 3 .98mol/(m2 · a) ,1 2月份的为2 .1 3 mol/(m2 · a) ,综合两个月的值平均 ,南大洋夏季 CO2 的平均通量为 3 .0 6 mol/(m2 · a) ,是南半球夏季一个重要的汇区     

南极普里兹湾及邻近海域二氧化碳的分布及其海气通量

本文根据１９９１年１２月至１９９２年１月在普里兹湾及其邻近海域所作的现场观测，采用红外分析法测定了表层水和大气ＣＯ２分压，结果表明，表层水ＰＣＯ２的分布大致呈近岸低、远岸高的特征，其分布变化主要受生物活动控制。利用通量计算模式，估算出ＣＯ２在调查海域的平均海－气通量为－７１．９ｇ／（ｍ２ａ），通量的可能误差主要来自与风速有关的交换系数。     

巴伦支海近40年来海洋热含量变化特征及影响机制

利用ORAS5海洋-海冰再分析数据集,研究发现1979—2018年间巴伦支海海洋热含量存在显著的季节和年际变化特征,且有持续上升趋势。海-气热通量是控制巴伦支海海洋热含量季节变化的主要因素,而北大西洋流的海洋热输运则影响其年际变化和上升趋势。北大西洋流的温度和流速变化对其海洋热输运的年际变化均有贡献,而其海洋热输运的上升趋势则主要是来自于北大西洋流温度的增加。此外,巴伦支海开阔海域和冰区的海-气热交换呈现相反的趋势,在无海冰覆盖的开阔海域,海洋放热减少,海洋混合减弱;而在有海冰覆盖的海域,海洋放热则显著增加,海洋混合增强。     

极锋以南洋区N_2O源汇特性初析

N_2O是大气中最重要的温室气体之一,目前已经有大量的研究对海洋N_2O循环及海洋对N_2O收支的贡献进行追踪报道。然而,极区相关研究仍然十分有限。本研究利用中国第25、26次南极科学考察的机会,对南大洋进行的采样以及实验室分析,结果显示,南大洋表层海水存在亚热带锋附近N_2O过饱和,亚南极锋附近接近饱和,和极锋以南洋面的不饱和的特征。海冰融化后,其融冰水的注入是N2O不饱和特征形成的主要原因。运用正态分布选取站观测风速95%以上的风速范围进行平局估算出极锋以南洋区海气通量,结果显示,极锋区以南表层海水是大气N_2O的汇区,年吸收通量约为3.5×10~(-4)—7.7×10-4Tg·a-1(百万吨氮/年)。     

南大洋表层海水酸化研究进展

海洋酸化是全球变化的一个关注点,南大洋CO2吸收量占海洋对人为CO2的吸收量的30%—40%,同时,南大洋是缓冲能力较低、生态系统脆弱的高纬海域,所以,理解南大洋海水酸化过程及其控制因素就显得尤为重要。海水酸化引起海水中碳酸根离子(CO2-3)的浓度、碳酸钙饱和度(Ω)降低,这对成钙类生物碳酸钙(包括文石和方解石)的形成有害,最终可能对生态系统造成危害。了解海洋酸化的影响、预测酸化对海水碳酸盐体系和生态系统的影响具有重要意义。因此,本文对目前南大洋的开阔大洋区以及两个具有代表性的边缘海和海湾的酸化研究概况进行了梳理,试图对南大洋表层海水酸化的研究进行概述、展望未来南大洋海洋酸化研究趋势并提出一些亟须解决的问题。     

南极普里兹湾碳循环研究进展

普里兹湾是南大洋碳循环研究典型代表海区,也是中国历次南大洋考察的重点调查区域。从初级生产力、营养盐、叶绿素、海-气CO₂通量、真光层颗粒有机碳（POC）输出通量,净群落生产力（NCP）等方面综合阐述了其碳循环特征。生物泵运转效率和海冰过程是碳吸收的主要控制因素。普里兹湾总体上可以从陆坡划界,分为湾内和湾外两大部分。两者碳循环特征差异显著。湾内碳循环过程活跃,是南大洋夏季的高生产力区域。湾外则表现出高营养盐、低叶绿素（HNLC）特征,初步认为存在Fe限制。总体上,溶解有机碳（DOC）、POC、营养盐、叶绿素、二氧化碳分压（pCO₂）等存在从湾内向湾外随纬度递增或递减的规律。海冰消长对碳循环过程影响剧烈。夏季融冰造成的冰藻释放、水体垂直稳定性增加是提高生物生产力的首要原因。总体上普里兹湾的碳循环受各种生物、物理过程及其耦合作用控制,对南大洋碳循环机制研究有重要意义。     

北极地区碳循环研究意义和展望

全球变暖引发了北极地区的快速变化。北极地区苔原冻土带退化、海冰面积退缩和厚度变薄将使北极生态系发生重要变化 ,因而引起碳的生物地球化学循环过程变异。为精确评估北极地区对人为大气CO2 的吸收通量 ,围绕北极苔原、边缘海和极区海域的碳循环研究引起了重视。调查表明 ,北冰洋和亚北冰洋海冰区是海洋吸收大气CO2 的重要汇区 ,北冰洋具有吸收大气CO2 约 1×GtC/a的能力 ,北冰洋夏季冰缘区的长光照和高生产力促进了对大气CO2 的吸收能力 ,北冰洋深水环流和通风作用也有利于表层碳向深水转移。最近有些调查表明 ,如温度继续升高 ,北极苔原有可能从碳汇转变成大气碳源。国际上正加强北极地区碳循环研究的规划和计划 ,企图通过改进现场调查观测手段以及研究方法 ,来定量研究和模式预测变化中北极地区的碳汇潜力及其对地球气候的影响。     

南大洋环极表层水浮游植物分级生物量、初级生产力和颗粒有机碳的分布

198 9/1 990年夏季作者在中国第六次南极考察环极航行中 ,对南大洋不同海区的浮游植物细胞大小分级叶绿素 a和初级生产力、颗粒有机碳及有关环境参数进行了测定。结果表明 ,在南极水域中以南大西洋最为肥沃 ,叶绿素 a浓度平均超过 2 μg/dm3 ,POC的平均浓度也最高 (>1 0 0 μg/dm3 ) ,而德雷克海峡和南印度洋较低。叶绿素 a和 POC的空间变异具有同步的波动。分级叶绿素 a结果表明 ,在肥沃的南大西洋以细胞 >2 0 μm的绢滤浮游生物 (主要是小型浮游生物 )所占比重最高 (6 5 %) ,而在较贫瘠的南印度洋则以微微型浮游生物 (<2 μm)最高 (47%)。分级初级生产力的结果表明 ,在南大西洋和德雷克海峡对总初级生产力的贡献以微微型浮游生物为最大 ,微型浮游生物和小型浮游生物的贡献大致相当。微微型浮游生物相对高的光合作用生理活性显示了它们在南大洋海洋生态系中的重要性。与南极水域相比 ,亚南极和亚热带水域较为贫瘠。     

1999/2000年夏季环南极表层海水叶绿素a和初级生产力

中国第 1 6次南极考察期间 ,作者随雪龙船于 1 999年 1 1月 2 2日至 2 0 0 0年 1月 1 8日从澳洲西南部到达东南极普里兹湾 ,后经南印度洋 -南大西洋 -德雷克海峡 -南大西洋 -南印度洋返回普里兹湾。航渡中定时采集表层海水 ,进行水温、盐度、营养盐、浮游生物现存量和光合作用速率的现场观测 ,研究环绕南极海域表层水叶绿素 a和初级生产力的分布特征。结果表明 ,南大洋表层水营养物质、浮游生物现存量和初级生产力分布具明显的区域性特征 ,南极辐合带以南的南极水营养盐浓度高于亚南极水和亚热带水。叶绿素 a浓度与营养物质的分布趋势一致 ,南极水、亚南极水和亚热带水的平均叶绿素 a浓度分别为 1 .77、1 .40和 0 .2 1 μg/dm3。在环绕南极的大洋中 ,南大西洋海域营养物质丰富 ,海水最为肥沃 ,叶绿素 a浓度和初级生产力高于南印度洋和德雷克海峡。在短期往返东南极 -西南极 -东南极的航渡观测中 ,由于南极夏季水温的升高 ,陆缘冰融化 ,冰藻释放 ,长城湾至普里兹湾的西 -东向航渡中观测的初级生产力、浮游植物细胞丰度、叶绿素 a浓度和光合作用同化数分别比普里兹湾至长城湾的东 -西向航渡中高 1 45%、1 1 3%、68%和 1 8%。与 1 0年前的观测结果比较 ,南大西洋仍为高生物量和高生产力海区 ;1 999/2 0 0 0     

北极陆架沉积碳埋藏及其在全球碳循环中的作用

陆架边缘海有机碳的堆积速率比大洋高一个数量级 ,全球大约有 80 %以上的沉积有机碳埋藏于陆架地区。北极陆架是世界上最大的陆架 ,占全球陆架面积的 1 / 4 ,然而由于相关的工作较少 ,目前对北极沉积有机碳埋藏情况及其对全球的贡献还知之甚少。北极地区沉积有机碳埋藏主要取决于生物泵 ,而生物泵过程一个主要的限制因子是海冰的覆盖。近几十年来随着全球变暖 ,北极海冰覆盖面积正在快速减小。本文从北极沉积有机碳的来源、河流携带的沉积物输入、海冰覆盖率、营养盐来源等方面初步讨论了陆源输入和生物泵过程对沉积碳来源和埋藏时空变化的影响。结合两次北极考察的初步结果指出 ,全球变暖很可能使北极陆架边缘海成为沉积有机碳的高效汇区。     

影响北极地区迅速变化的一些关键过程研究

最近研究证明 ,近半个世纪来 ,北极地区正在发生迅速变化。部分地区温度上升了 2- 3°C ,北冰洋海冰退缩 5 %,中心地区海冰厚度变薄 ,海面压力降低 ,中上层水淡化和变暖 ,吸收CO2 能力增加 ,臭氧耗损和紫外线辐射增强。中国于 1 999年开展了“中国首次北极科学考察” ,在楚科奇海、加拿大海盆、白令海以及临近海域开展了海冰气相互作用的多学科综合考察 ,对北极的区域特征及其在全球变化中的作用研究获得一些新的认识。观测到加拿大海盆中层水持续增暖的现象 ,揭示了西北冰洋与白令海水体交换的途径和次表层暖水结构 ,发现了加拿大海盆是北冰洋河水的主要储存区。利用联合冰站观测数据 ,模拟了北冰洋夏季大气边界层结构和下垫面能量平衡的变化特征 ,定量给出了北冰洋夏季海 /气和冰 /气之间湍流通量和边界层参数的差异。海 /气CO2 的通量观测表明 ,考察区的大部分海域均为大气CO2 汇区 ;西北冰洋海冰区具有较高的生物泵运转效率 ,楚科奇海陆架是一个高效的有机碳“汇”区 ,寒冷水体中微生物活动并未受到明显抑制。沉积物的地球化学过程研究表明 ,海底表层沉积物中碘含量存在着由低纬度到高纬度增加趋势 ,北极地区可能是碘的汇区 ,碘可作为极区古海洋中的地球化学元素变化的重要指标。楚科奇海、白令海