遥感SST产品误差在海-气CO2通量计算中的传递及贡献分析

海-气界面CO2通量的估算对于碳的生物地球化学循环和全球气候变化等研究具有重要的意义,利用遥感手段是进行全球尺度海表面碳通量估算的唯一手段,但是由于不确定性的存在限制了海-气界面CO2通量遥感估算产品在决策应用上的可靠性。本文通过建立海-气界面CO2通量直接控制参量(气体交换速率k、海表面CO2溶解度S和海表面CO2分压pCO2sw)误差结构图,以通量估算的主要影响因子—海表温度（SST）为例,建立了SST在通量计算中的误差传递流程图,并采用Monte Carlo方法模拟了SST误差在通量计算中的传递规律和对最终误差的贡献。结果表明在遥感SST误差为0.5℃并为正态分布的假设下,误差在k、S计算中的传递为指数分布和近似指数分布,而在pCO2sw模型计算中为正态分布,最终在通量FCO2中的传递为指数分布;在大气CO2分压为固定值370μatm的情况下,SST对最终的通量结果带来的误差为1.2mmol?m-2?day-1左右。本文以SST为例,提供了一种通量计算中遥感参数误差传递和贡献的计算方法,可以为其他遥感获取的参量提供分析依据和参考。     

海-气CO2通量实测数据通量计算中误差传递模拟与敏感性分析

海-气CO₂通量估算模型中参数的可靠性是决定模型可靠性的重要因素, 也决定了模型估算结果的可靠性, 因此开展海-气CO₂通量计算模型中误差传递规律与敏感性分析, 对模型参数端元因子的误差控制, 提高模型预测精度和降低不确定性十分重要。但由于模型中参数众多, 且各种参数间彼此相互影响, 使得误差传递过程与敏感性分析十分复杂困难。本文在海-气界面CO₂通量观测建模过程详细分析的基础上, 以海-气界面CO₂分压差的经典通量计算模型为基础, 以实测数据通量计算过程为例, 针对模型中的参数变量, 在假设参数变量的误差正态分布的前提下, 利用Monte Carlo手段分析各参数变量的误差在模型中的传递规律, 并将单因子扰动试验法用于海-气界面CO₂通量建模的参数敏感性分析。模拟和分析结果表明:CO₂通量计算过程中误差经模型传递后的分布规律存在正态分布、指数分布等多种形式;气体交换系数对通量计算结果的敏感性最大, 通量估算中的风速和表层海水温度是必须进行精度控制的关键参数。     

秋季东海和南黄海表层海水CO_2体系各参数分布及海-气界面通量

根据2007年11月在东海和南黄海海域表层海水测得的TCO2和TA数据,计算了表层海水pCO2,结合现场环境对表层海水CO2体系各参数的分布进行了讨论,探讨了pCO2与海水温度及叶绿素的相关性,利用Wanninkhof(1992)提出的通量模式并采用加权平均法估算了整个调查海域的海-气CO2的净通量。结果表明:观测海域表层海水CO2系统各参量的分布呈明显的不均匀性,在水团的混合处往往是各参量的高值或低值中心。由相关性分析可知,pCO2的分布主要受海水温度的影响,生物活动的影响较弱。受秋季较大风速的影响,调查海域表现为强的CO2源,秋季可向大气释放CO2约为556×104tC。     

基于海水环境和气象参数经验公式估算的东海海-气CO2通量

使用World Ocean Altas 2009提供的气候态月平均温度、盐度和磷酸盐浓度资料,以及Globalview和NCEP的大气资料,借助较为可靠的经验公式,估算了东海海表CO2分压(pCO2)和海-气CO2通量的平均分布特征和季节变化。结果表明,pCO2的空间分布形态四季大体相同,但其强度随季节变化,春、冬季低,夏、秋季高。CO2通量在东海陆架区为汇,汇的强度从NW向SE逐渐减弱;在黑潮区为源,强度从SW向NE逐渐减弱。东海整体于春、冬季为CO2的汇,夏、秋季为CO2的源。进一步分析东海pCO2和CO2通量季节变化的主要影响因子表明,东海海表pCO2变化主要受温度控制,而在陆架区,盐度和磷酸盐的作用不可忽略。东海整体CO2通量变化在4至10月由风速主导,11月至翌年3月由海表pCO2控制;陆架区CO2通量的季节变化主要由风速决定;黑潮区CO2通量的变化在夏季由风速主导,秋季由风速和pCO2共同影响。     

2011年3月胶州湾表层海水pCO2及海-气界面通量

依据2011年3月4日对胶州湾走航连续实测所得pCO2数据,结合水文、化学和生物等要素的同步实测资料,对胶州湾海域pCO2分布及其影响因素进行了初步探讨,并估算了3月海-气CO2通量。结果表明:3月胶州湾表层海水pCO2实测值在191～332μatm之间,平均值为278μatm,海-气CO2通量在-22.76～-7.13mmol·m-2·d-1,平均值为-14.2mmol·m-2·d-1,这一时期胶州湾从大气吸收约1.59×103t C,表现为大气CO2的强汇。生物活动是影响这一时期表层海水pCO2分布的主要原因。     

南黄海夏季海水pCO2研究Ⅱ--下层海水涌升和长江冲淡水对海-气界面CO2通量的贡献

根据2001年7月对南黄海的大面积调查,研究了南黄海夏季pCO2的分布机制,着重讨论下层海水涌升和长江冲淡水对海-气界面CO2通量的贡献,并给出了南黄海海-气界面CO2通量。研究结果表明:夏季南黄海总体上是CO2的1个弱源,大约向大气中释放45.05×104t C。夏季南黄海表层海水pCO2分布表现出了极大的不均性,其汇区主要由长江冲淡水造成,影响区域占汇区吸收CO2的99.9%;而在源区,下层海水涌升虽然面积较小却占源区释放CO2的35.2%。可见陆架边缘海区源/汇格局的地域差异非常之特别。     

北黄海夏季pCO2分布及海-气CO2通量

基于在2006年夏季北黄海收集的的高分辨率的表层CO2分压(pCO2)数据,结合水文和生物地球化学同步观测参数,探讨了夏季北黄海pCO2空间分布的控制因素。结果表明,夏季北黄海与大多数中低纬度陆架海类似,由于水温较高,表层pCO2较高(平均值为(463±41)μatm),整个海域相对大气CO2过饱和。表层pCO2分布具有明显的区域差异,辽南和鲁北近岸海域pCO2明显高于中部区域,辽南近岸的高pCO2主要与河流输入和水产养殖引起的生物好氧呼吸有关,而鲁北沿岸的高pCO2主要与烟台近岸的底层冷水涌升及由混合引起的高碳酸盐含量的黄河泥沙的再悬浮有关;在海区中部大部分水域,pCO2与温度之间有较好的相关性,说明温度是这一区域pCO2分布较为重要的控制因子。另外,采用Wannikhof的海-气气体交换系数估计了北黄海夏季海-气CO2通量,结果表明整个北黄海是大气CO2的源,平均释放速率为(4.00±0.57)mmol.m-2.d-1,高于南黄海夏季海-气CO2通量。     

东海2012年夏季海-气界面碳交换及其区域碳汇强度变化趋势初探

基于2012年7月对东海的调查,剖析了其水体中各形态碳(pCO2、DIC、DOC、POC)的区域分布特征,估算了海-气界面CO2的交换通量(FCO2),探讨了影响其交换的主要因素,在此基础上,结合历史资料初步分析了近十几年来该海域海-气界面CO2交换通量的变化趋势。结果表明,2012年7月长江口邻近海域相对南部陆架区具有较低的DIC浓度,而DOC与POC的浓度相对较高。调查区域表层水pCO2变化范围为96.28~577.7μatm(1atm为101 325Pa),平均值为297.6μatm,低值区出现在长江冲淡水区(30°~33°N,123°~125°E),高值区主要分布在东海陆架的南部区域。表层水pCO2主要受控于长江冲淡水的输入和混合(盐度)、台湾暖流以及生物生产等。调查海域2012年7月海-气FCO2平均为(-6.410±7.486)mmol/(m2·d),表现东海在夏季是大气CO2的汇区,区域碳汇强度由强到弱依次为:长江冲淡水区(CDW)、黄东海混合水区(YEMW)、陆架咸淡水混合区(SMW)、近岸上升流区(CUW)和台湾暖流区(TWCW),东海夏季每日吸收大气CO2(以C计)约(18.3±19.8)kt。结合历史资料分析发现,近十几年来东海夏季碳汇强度有增强趋势,CDW区的海-气界面CO2通量平均年增速为-0.814mmol/(m2·d),即海水吸收大气二氧化碳每年增加约54.6kt,是夏季东海碳汇增加的最主要贡献者。     

胶州湾秋季表层海水pCO_2分布及水-气界面通量

根据2007年11月31日在胶州湾走航连续观测所得pCO2数据,结合水文、化学和生物等要素的同步观测资料,对胶州湾海域pCO2分布及其影响因素进行了探讨。结果表明:秋季胶州湾表层海水pCO2实测值在315~720μatm之间,平均值为423μatm。东部海域由于有机物降解及李村河水输入的影响表现为大气CO2的源;西部海域由于浮游植物活动的影响为大气CO2的弱汇区;湾中部水交换较好的海域,浮游植物活动和有机物降解共同影响着pCO2的分布。总体来说,秋季胶州湾表现为大气CO2的弱源,海-气界面CO2交换速率在-5.94~23.15 mmol.m-2.d-1之间,平均值为2.87 mmol.m-2.d-1,由此可估算出秋季胶州湾可向大气释放940.74 tC。     

大洋海区海-气CO_2通量单参数遥感算法的适用性检验

利用卫星遥感技术的优势,基于LDEO数据库的全球海表二氧化碳分压（PCO2）及海表温度（SST）等实测数据,初步建立东太平洋海区PCO2与SST的单参数经验算法,并采用相同区域的独立实测数据检验.结果表明,单参数算法在寡营养大洋海区具有良好的适用性,反演值与实测值之间的均方根误差（RMS）为0.51 Pa（1 Pa=9.869μatm）,由此估算出2003年6月该海域CO2通量为-1.4 mmol/（m2.d）,与实测估算的碳通量基本相符,能够很好地反映出海区CO2源汇特征.将该遥感算法运用到西大西洋海域（15°~25°N,60°~75°W）,反演值与实测值之间均方根误差（RMS）为0.69 Pa.检验结果表明,在寡营养大洋海区,单参数遥感算法具有一定的适用性,在受相似因子调控的同纬度海区可以使用同一遥感算法.     

基于南海观测平台的海-气界面CO_2通量研究

利用南海北部的海上综合观测平台,开展了基于涡相关方法的海-气界面CO2通量的长期观测,得到了2010年9月至2012年9月近2年的海-气界面CO2通量数据,结果分析表明,观测平台附近海域全年表现为一个碳汇,年平均值为-0.088 mg m-2s-1,存在明显的季节变化规律,秋冬季节海洋表现为一个强碳汇,春季海洋依然是一个碳汇,但强度明显减弱,而夏季海洋呈现不稳定的源汇变化特征;从日周期特征上看,夜间通量强度较强,白天减弱;进一步的分析表明,海上风和大气稳定性对海-气界面CO2通量有明显的贡献。     

海洋-大气二氧化碳通量的观测技术

大范围稳定地获取海洋-大气系统中二氧化碳的精确数据,是海洋科学、大气科学以及全球变化科学和可持续发展科学计划中的重要任务.准确评估海-气CO2通量需要对海洋和大气中相关参数的同步精确连续观测,需要发展和建立海-气CO2通量的立体观测平台.该观测平台包括岸基、船基、航空、卫星和浮标等系统,主要技术包括走航大气和海水观测技术、浮标海-气CO2通量观测技术、极区海洋-大气CO2通量的观测技术和遥感海洋-大气CO2通量观测和评估技术.     

气候变化背景下海-气CO_2通量获取方法综述

综述了国内外海-气CO2通量测量和估算方法的研究进展,对各方法的原理、应用及优缺点做了简要介绍,着重介绍了海洋碳循环数值模式的研究现状、原理方法等,并对海-气CO2通量研究的发展趋势作了展望。     

胶州湾春季4月份表层海水pCO_2分布及控制因素分析

胶州湾毗邻青岛市区,是受人类活动影响显著的海湾。开展胶州湾水-气界面CO2通量研究,有助于厘清受人类活动严重干扰下的边缘海(湾)CO2源汇的控制机制。根据2013年4月在胶州湾走航连续观测所得pCO2数据,结合水文、化学和生物等要素的同步观测资料及以往本课题组获取的冬季2、3月份航次数据,对胶州湾海域pCO2分布及影响因素进行了分析探讨。结果表明:表层海水pCO2测得值在392~1 648μatm之间,平均值为496μatm。4月份胶州湾水体垂直混合均匀,且水柱对表层碳酸盐体系的影响显著。4月份胶州湾浮游生物初级生产弱于2、3月份,而生物的好氧呼吸作用要强于2、3月份。因此,生物好氧呼吸作用的增强是4月份胶州湾表现为大气CO2源的主要原因,同时温度升高也是导致胶州湾冬季到春季表层pCO2升高的重要因素,其影响程度仅次于生物好氧呼吸作用。总体来说,4月份胶州湾表现为大气CO2的源,水-气界面CO2交换通量在-8.22~490.68mmol·m-2·d-1之间,平均值为17.34mmol·m-2·d-1。     

高空间分辨率海表CO2分压的卫星遥感反演算法：机器学习在秋季象山港的应用

近海海湾受人类活动及自然变化影响大,海水碳源汇格局变化影响机制极其复杂。由于海湾空间尺度小,需要使用宽波段的高空间分辨率卫星遥感对海-气CO₂通量进行监测评估。相对于传统公里级的水色卫星资料,海-气CO₂通量定量估算的关键参数——海表CO₂分压(sea surface partial pressure of CO₂,pCO₂)遥感反演在小尺度海湾具有极大的挑战性。该文以秋季象山港为例,利用走航观测pCO₂数据及近5年哨兵2号(Sentinel-2)卫星影像,采用支持向量机(support vector machine, SVM)机器学习的方法,基于Sentinel-2遥感反射率及其比值,建立了海表pCO₂的遥感反演算法。算法验证结果显示决定系数为0.92,均方根误差为23.23μatm,遥感反演结果与实测值具有较高一致性。在此基础上,制作了2017—2021年秋季(9—11月)象山港海表pCO₂遥感产品,结果表明...     

基于浮标观测的春季青岛近岸海水pCO2变化及海-气CO2通量研究

利用海-气界面浮标观测得到的高频数据,分析了春季青岛近岸海域海表二氧化碳分压(pCO₂)的变化规律及驱动因素,并对海-气CO₂通量进行了估算。观测期间该海域由大气的碳汇转变为碳源,主要是由海表pCO₂的不断增长所致。对海表pCO₂控制因素进行分析,发现温度升高是pCO₂增长的主要驱动因素,生物过程起到一定的抑制作用。海表pCO₂呈现出日变化特征,温度和生物因素对海表pCO₂日变化的作用均与太阳辐射相关,但两者的作用相反。此外,分析发现浮标的不同采样频率会对海-气CO₂通量估算产生影响,缩短采样间隔能有效降低海-气CO₂通量估算的偏差,提高估算的准确性。     

中国近海海气界面热通量的反演

应用卫星SSM/I(Special Sensor Microwave/Imager)和AVHRR(Advanced Very High Resolution Radiometer)遥感资料,使用先进的海气通量计算方法(COARE3.0),计算了中国近海海气界面的感热和潜热通量.计算结果与南海西沙(2002年5月)和文昌(2000年10~11月)实测结果进行比较发现,应用遥感资料获得的海气界面热通量与实测结果非常一致.遥感获得的感热通量和潜热通量与西沙实测结果的均方根误差分别为2.9和29.9 W/m2,与文昌实测结果的均方根误差:2000年10月分别为4.42和43.05 W/m2,2000年11月分别为4.19和40.8 W/m2.与GSSTF2的结果相比,其时空分布变化特征基本一致.根据中国近海遥感资料(1988~2000年)的感热通量的分析,其均方根误差在10.1~12.4 W/m2之间,多年平均均方根误差为11.7 W/m2.潜热通量的均方根误差在34.8~49.7 W/m2之间,多年平均均方根误差为43.2 W/m2.由此可以说明,利用遥感获得的热通量可以用来进行中国近海海气相互作用的研究以及作为我国气候预测研究的重要依据.     

海洋表面大气下行辐射遥感估算

在海-气相互作用研究中,大气下行辐射的准确估算具有重要意义。在气象站点分布密集的地区,大气下行辐射可通过常规的仪器测量获取。但海洋表面布点成本高,维护比较困难,严重影响我们对海区辐射特征的认识和了解。遥感可提供良好的时空连续性和多层次数据,是研究大气下行辐射的有效手段。本文模拟了不同大气条件下海表的长波下行辐射,考虑到大气下行辐射不仅与所在层的大气有关,还受临近大气层的影响,我们通过增加大气水汽含量重新参数化大气比辐射率,改进Brutsaert模型,建立基于MODIS数据遥感估算海洋表面大气下行辐射的模型,并利用"中国近海海洋综合调查与评价"项目中黄海区观测的海-气通量观测资料对所提出的模型进行检验。结果表明,本文所改进的参数化模型在模拟数据中的均方误差(RMSE)为11.2 W/m~2;在实际数据验证中,RMSE为20.9 W/m~2;模型的精度基本达到了海-气作用研究中对瞬时大气下行辐射的精度要求。     

基于SMOS卫星数据的海表面盐度模型

海表面盐度是研究海洋对全球气候影响以及大洋环流的重要参量之一,而卫星遥感技术是获取海表面盐度数据的最有效方法.目前,L波段的SMOS和Aquarius/SAC-D遥感卫星正在用于探测海表面盐度,并根据卫星观测数据和物理机制反演出海表面盐度的产品.但在某些近陆地区域,由于淡水流入及陆地射频(RFI)等因素影响,卫星反演盐度的产品精度较低.文中利用“东方红2号”科学考察船的实测数据、SMOS卫星数据,首次针对中国南海海域提出了用贝叶斯网络模型计算海表面盐度,并用验证数据集(实测Argo盐度)对模型进行适应性评估.经过计算,模型误差和验证误差分别为0.47 psu和0.45 psu,而相应的SMOS Level 2产品的精度分别为1.90 psu和1.82 psu.此模型为海表面盐度的计算提供了一个新方法.     

塔基海-气界面动量通量观测：向岸风和离岸风情形比较

本文使用塔基直接观测法研究海洋大气边界层中的海-气界面动量通量。首先,我们收集数据并和前人观测结果比对,其比对结果符合一致。其次,在低风速至中等风速条件下,我们发现海-气界面动量通量的交换系数（又称拖曳系数）对于向岸风和离岸风两种情形有所差异。为此,我们使用一个考虑表面波的参数化方案解释海-气界面动量通量对于表面波的依赖关系。这些结果一方面证实表面波对于海-气界面动量通量的影响,另一方面验证一个考虑表面波参数化方案的有效性。