中国南大洋海洋大气化学研究进展

海洋大气化学是一门海洋化学与大气化学交叉的新学科。中国的南大洋海洋大气化学研究与我国的南极考察事业同步成长。30多年来,随着南极科学考察的经验积累和数据集成,我国的南大洋海洋大气化学关键过程研究即大气-海洋生物地球化学循环,碳、氮、硫、磷、铁等的海气交换研究都有了长足的进步。与气候变化关系密切的碳、氮、硫的海-气循环等研究,取得了一批新的认知和成果,引起国际学界的关注。自20世纪80年代早期开始至今,我国已开展了三十多次南极科学考察,在这些考察中开展了南大洋大气气溶胶物质来源研究,探究了大气-海洋生物地球化学的一些关键过程,估算了硫、磷、氮、铁的海气交换通量。随着国家重大计划"南极在全球变化中的响应与反馈作用"项目实施及后续研究的开展,对全球变化的敏感要素碳、氮、硫、铁在南大洋的源汇特征及其环境和气候效应等进行了研究,对其有了更深的了解。我们还对南大洋海冰区碳汇格局演变,DMS、MSA、N_2O、Fe等的海气交换过程及其对生态环境的影响有了新认知。同时,在对上述化学物种的实时走航观测关键技术研发上也取得了重要突破,为未来开展相关研究提供了坚实的技术支持;在站区大气污染特征分布上进行了深入探讨,为了解人类活动对站区环境的影响提供了评估依据。     

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)。     

闽江河口湿地生物地球化学元素循环研究进展

河口湿地是陆地、海洋和大气之间各种过程相互作用最为活跃的地带,是对全球变化和人类活动响应最敏感的生态系统之一。围绕近10年来在闽江河口自然与人工湿地开展的生源元素生物地球化学循环、温室气体排放和生态化学计量学等方面取得的主要成果进行回顾与总结,并对今后开展氮负荷增强对湿地碳硫循环等关键过程(枯落物分解、甲烷排放通量和硫转化等)的影响,以及富硅生物炭对水稻土铁代谢与碳固持的影响等研究工作提出设想,以期为进一步深入开展闽江河口湿地研究提供参考。     

流域生物地球化学循环与水文耦合过程及其调控机制

流域生态系统的水文和生物地球化学循环通过水文通量的物理作用紧密耦合,其时空尺度的物质和能量耦合为流域生物地球化学过程的物质平衡和能量流动提供重要基础。通过研究流域尺度生物地球化学循环—水文耦合过程,将更加深刻揭示水循环驱动下陆地—水生生态系统碳氮循环与人类活动及气候系统的生物学、物理学和化学过程的耦合机制。本文综合阐述了流域生态系统的时间、空间以及时间—空间尺度的生物地球化学循环与水文耦合特征,揭示营养元素循环在时间—空间尺度上的耦合特征,通过大气、陆地、河流、河口和海洋系统形成了一个连续体并由水、气体和气溶胶通量进行物理连接;分析流域营养物质的生物地球化学循环与水文耦合过程随着时空尺度在大气—陆地界面、陆地—河流界面以及河口—海洋界面的耦合变异性;最后通过流域生态化学计量特征及水陆交错带对营养物质输出的调控分析耦合过程的生物学调控机制,以提高对流域景观水平的生态水文、生物地球化学和生态动力学的理解。     

南极海洋保护区设立的适宜性评价研究

南大洋海域因其特殊的地理位置、极端的气候环境和丰富的资源,具有重要的科学和经济意义。当今世界各国力争国家权益,积极参与南极海洋保护区设立的国际事务,然而我国虽对此持续关注,但相关研究甚少,在南极海洋保护区设立的适宜性评价指标和区划方法研究方面几近空白。在此背景下,通过对现有各国南极海洋保护区的提案分析,尝试构建南极海洋保护区设立的适宜性评价的多级指标体系,并基于我国南极科学考察数据,运用层次分析法和加权叠加分析,对普里兹湾海洋保护区设立的适宜性进行案例研究,以期为我国南极海洋保护区的设立和相关研究提供参考。     

2007/2008年和2008/2009年夏季南大洋以及普里兹湾POC的分布与变化

在中国第24次和第25次南极科学考察期间,利用航渡表层水观测和普里兹湾定点观测,对颗粒有机碳(POC)的分布及其影响因素进行了研究.结果表明,南大洋表层水体的颗粒有机碳分布具有明显的区域性特征,表层水体POC的含量与营养盐和叶绿素a有着明显的相关分布趋势.南极水、亚南极水的表层POC浓度明显高于亚热带水和热带水,第24...     

热带与南极海域表层海水N2O饱和度异常差异性比较

本文比较了从北纬30?西太平洋至南纬30?东印度洋等热带海域与南大洋至东南极普里兹湾等南极海域的大气和表层海水N2O分压分布特征,表层海水pNO2饱和异常,分析引起异常差异性的主要影响因子。南极海域普里兹湾表层水中N2O分压（pN2O）平均为311.9 ± 7.6 nL/L (14.1 ± 0.4 nM),与大气中N2O混合比（318.5 nL/L）相比显略不饱和,融冰水的输入是导致不饱和的主要原因。海气N2O通量为-0.3 ± 0.8μmol m-2 d-1。而热带海域多数表层海水中N2O饱和度异常值都高于10%,在赤道海域发现最高值达54.7%,次高值为10°N的苏禄海为31%,计算出在赤道和苏禄海的海气通量分别为~12.4 μmol m-2 d-1和~4μmol m-2 d-1。表明高纬度的普里兹湾既不是大气中N2O源也不是汇,而低纬度热带海域表现为大气中N2O的源。造成热带与南极海域海洋N2O饱和度异常的影响因素,可能低纬度的热带海域由于海气间的气体交换较弱、上升流影响强,而高纬度的南极海域由于融冰分层和强偏西风影响;而海表面风速是影响N2O的海气交换N2O通量的重要因素。     

南大洋酸化过程及其变化趋势研究进展

近30年的集成研究表明,南大洋吸碳能力从20世纪90年代开始出现明显的下降,但是这种减弱趋势在2002年后又开始转变为显著增强的趋势,展现出一种吸收大气中人为CO2更强的能力,这种态势伴随着南大洋的酸化进一步增强。观测表明,开阔大洋(45°S—50°S)在1991—2000年间的pH下降速率为每年0.0007,文石饱和度Ω文石以每年0.015的速率上升,而在2001—2011年间pH下降速率增大为每年0.0024,Ω文石转变为每年0.017的下降速率。在南大洋近岸海域,海洋酸化程度区域性差别很大,影响因素也更加复杂。例如,普里兹湾在1994—2010年pH和Ω文石分别下降了0.11和0.30,威德尔海在1978—2008年间的表层海水pH下降速率为每年0.0011,Ω文石下降速率为每年0.002。基于现场观测数据和遥感反演参数方法,从点线观测数据评估扩展到海区整体范围的南大洋酸化趋势评估取得了重要进展。而近期改进的模型模拟与观测结果比较在量级和更大尺度空间上都取得了较好的结果。本文对地球系统模型(ESM)预测的包括RCP 8.5等不同情境下的南大洋酸化趋势以及海洋酸化对南大洋生态系统的效应进行综合评述,结果表明到本世纪末南大洋大部分海域都将处于文石不饱和状态,预示着南大洋的酸化进展将会严重影响海洋生物地球化学变化和损坏整个南大洋的生态系统。因此,对南大洋开展海洋酸化过程、驱动机制和预测研究以及生态效应评估已严肃地摆在全人类的面前。     

近十年(1972-1982)全球生物圈的变化

过去十年中,在认识上的主要进展之一是关于碳、氮、硫、磷及其它元素生物地球化学循环之中的联系,从而说明了将生态圈分属大气圈、水圈、岩石圈等横断面的传统分法之不合理性。     

南大洋大气氧化亚氮分布特征

在执行中国第21次南极科学考察任务期间,于2004年11月15日至2005年2月2日在南大洋(澳大利亚以南以及中山站和长城站之间环绕南极海域)航线上采集大气氧化亚氮样品,并带回陆地实验室分析。结果显示,大气氧化亚氮浓度由澳大利亚至中山站航段的(309.6±1.6)nL/L上升至环绕南极冰边缘海区航段的(320.0±1.2)nL/L。这种南大洋大气中氧化亚氮浓度随纬度升高而升高的特征,可能与洋流作用,季节性海冰融化、生物作用以及近岸等的影响因素有关。     

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。     

南极长城站气象观测与研究

1980年以来,中国对南极的气象观测和研究已取得了显著进展.1985年2月在乔治王岛建立了南极长城气象站,国际站号为89058,此后一直进行天气观测,并向世界天气监视网发出报告.近年来,根据观测资料并结合南极和南半球其他资料,开展了极区气旋、影晌南极半岛的天气系统、大气化学、高层大气、辐射特点、南极海冰状态与气候变化关系等项目研究.这些研究对了解南极当地气候的形成、发展和变化及其对全球气候的影响提供了重要资料.     

南极普里兹湾及邻近南大洋水体N_2O分布特征

利用中国第25、26次南极科学考察航次获得南极普里兹湾及邻近南大洋附近水样,采用顶空气相色谱法分析其中N_2O含量,结果表明普里兹湾陆架水体N_2O浓度较低,介于13.2―17.4 nmol·L~(-1),且呈现不饱和状态,饱和度异常值为-7%;而普里兹湾附近南大洋水体中N_2O浓度较高,介于15.5―23.3 nmol·L-1,除表面一层极薄的不饱和层外,中层至底层水体相对工业革命前大气浓度为高度过饱和状态。该区域N_2O的分布格局与复杂的水团特性和水文过程有密切关系。N_2O含量不饱和的普里兹湾陆架水(SW)和绕极深层流(CDW)混合下沉形成南极底层水(AABW),可能为温室气体N_2O提供向深层海洋输运的通路。这个过程为大气N_2O提供了一个汇的机制,使南极近岸水体成为大气N_2O的汇区。     

南大洋海-气CO_2通量研究进展

南大洋是全球最重要的CO2汇区之一。准确估算南大洋及其各海区的海-气CO2通量,是全球碳循环研究的重要内容,其对预测和评估未来南大洋在全球变暖日益加剧的背景下发挥的作用有重要意义。但由于南大洋广阔的海域,恶劣的气候条件、自身复杂的水文物理及地球化学过程等原因,目前对南大洋的CO2通量的评估不一而足,存在较大差异和不确定性。本文讨论了南大洋海-气CO2通量的估算方法和各个海域海-气CO2通量研究的最新进展,并分析了南大洋海-气CO2通量的控制及影响因素。目前对南大洋的年吸收量估计为大约在0.1-0.6PgCyr-1,同时,所有的研究都表明,其存在极大的年度变化性。并且,由于各个海区受到生物、物理和水文等各方面的影响,表层海水CO2分压(pCO2)表现出极大的时空变异性。     

南极地区冰雪消失对全球大气环流和气候影响的数值模拟

本文利用全球大气环流模式通过数值模拟研究了北半球夏季南极地区冰雪覆盖的消失对大气环流和全球气候影响的过程。结果表明南极冰雪消失不仅影响南半球大气环流异常,而且通过引起热带环流异常如增强东亚季风环流和减弱Walker环流等引起北半球大气环流和我国夏季气候的异常。南极冰雪覆盖的消失将给全球气候带来严重后果。文中也对南极冰雪气候效应的动力学机制进行了讨论。     

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。     

南极海洋硅藻极端生境适应性研究进展

南极海洋硅藻作为海洋食物网的基石,在南大洋生态系统中扮演着至关重要的角色。南极海洋硅藻具有极端生境适应性,是生物抗辐射性、抗冻性和抗盐性研究的理想实验材料。综述了近30年来国内外有关南极海洋硅藻对强辐射、低温、高盐和低光照的光合适应性研究进展,表明其在长期的极端生境中,形成独特的生理、生化、遗传和代谢特征,相关研究为深入开展南极海洋硅藻的抗逆境研究和开发利用提供了重要参考依据。     

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。     

Long-period variations of sea-level in Australasia

Summary. The ability of the Australian sea-level monitoring network is assessed in the investigation of long-period sea-level signals. Through the character of coastal long waves, seasonal variations in level and inter-annual level anomalies, the importance of the south coast of the Continent is identified as a coherent indicator of large-scale marine and atmospheric teleconnections. The source of the sea-level signal is investigated by the tracing of progressive features, by the numerical modelling of wind stress over the Southern Ocean, by the modelling of the effect of monsoonal rains over the Indian Ocean and the mass transport through the Indonesian Strait. These features are related to the ENSO cycle which for the first time is linked, inter alia , with Southern Ocean mechanisms.