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。     

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。     

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。     

MODIS水汽通量估算方法在华北平原农田的适应性验证

利用遥感手段估算区域水汽通量对研究区域气候变化及生态系统功能评价颇具意义。但是由于估算模式涉及时空差异很大的地表特征参数很难完全通过遥感数据获得,因此MODIS水汽通量数据产品 (MOD16) 至今尚未问世。本研究以中科院禹城综合实验站2002年4~5月份冬小麦田的涡度相关实测水汽通量为标准,验证MOD16算法所估算的农田水汽通量,结果表明直接使用MOD16算法计算的麦田水汽通量比实测水汽通量平均偏大近20%。对其中的作物三基点温度、空气动力学阻抗计算方法和植被覆盖度进行修正,修正后的MOD16计算结果和实测值非常吻合,1:1曲线斜率为0.9706,相关系数R₂为0.8845。这为利用MODIS数据大面积估算农田水汽通量提供了科学依据。     

我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、N2O、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。     

基于210Pb测年法的楚科奇海陆架北缘有机碳沉积通量研究

有机碳沉积作用在一定时间尺度上形成海洋碳汇作用的最终净效应,北冰洋陆架的有机碳沉积作用在全球碳循环中有着尤为重要的地位。为了测定楚科奇海陆架的有机碳沉积通量,本文应用210Pb测年法对中国第3次北极考察R17站位的沉积物样品的年龄及沉积速率进行了分析测定,并结合表层沉积物中有机碳的含量计算得到了楚科奇海陆架北缘的有机碳沉积通量。结果显示,该站位的沉积速率为0.6 mm/a,表观沉积质量通量为0.72 kg/m2/a,有机碳沉积通量为517 mmol C/m2/a。经估算,真光层输出的有机碳中约有29 %被长期封存在沉积物中,远高于中低纬度的正常值（~10 %）,说明楚科奇海陆架区具有高效的碳汇作用。     

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。     

南极绕极波的行波与驻波共存系统分析

南极绕极波(ACW)是近10年来海洋和大气科学领域研究的重要内容之一,其特征表现为一种海气耦合的年际信号在南大洋的明显东向传播。文中依据波动的基本原理,利用非线性拟合方法得到了绕极波行波的平均波速、波数和角频率和印度洋驻波的表达形式,得出行波和驻波具有相同的角频率。针对绕极波纬圈传播的不连续现象,提出了南极绕极波是行波和驻波共存系统的新见解。行波与驻波共存系统由三部分组成:在南大洋的太平洋西侧发生SLP振动,与发生在太平洋中低纬度的过程有关;在太平洋和大西洋存在传播的行波,行波在太平洋最强,到大西洋明显减弱;在印度洋SLP系统表现为局地变化,体现明显的驻波特征。三部分有共同的周期,表明三部分是统一的动力学系统,证实了行波与驻波共存系统可以很好地表达南极绕极波的时空特性和传播特征。     

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。     

Carbon fluxes in the Arctic Ocean—potential impact by climate change

Because of its ice cover the central Arctic Ocean has not been considered as a sink of atmospheric carbon dioxide. With recent observations of decreasing ice cover there is the potential for an increased air–sea carbon dioxide flux. Though the sensitivity of the carbon fluxes to a climate change can at present only be speculated, we know the responses to some of the forcing, including: melting of the sea ice cover make the air–sea flux operate towards equilibrium; increased temperature of the surface water will decrease the solubility and thus the air-sea flux; and an open ocean might increase primary production through better utilization of the nutrients.
The potential change in air-sea CO₂ fluxes caused by different forcing as a result of climate change is quantified based on measured data. If the sea ice melts, the top 100 m water column of the Eurasian Basin has, with the present conditions, a potential to take up close to 50 g C m⁻². The freshening of the surface water caused by a sea ice melt will increase the CO₂ solubility corresponding to an uptake of ∼ g C m⁻², while a temperature increase of 1°C in the same waters will out-gas 8 g C m⁻², and a utilization of all phosphate will increase primary production by 75 g C m⁻².     

A study on the Antarctic circumpolar wave mode-A coexistence system of standing and traveling wave

The Antarctic circumpolar wave(ACW)has become a focus of the air-sea coupled Southern Ocean study since 1996,when it was discovered as an air-sea coupled interannual signal propagating eastward in the region of the Antarctic C i rcumpolar Current(ACC).In order to analyze the mechanism of discontinuity alon g the latitudinal propagation,a new idea that ACW is a system with a traveling wave in the Southern Pacific and Atlantic Ocean and with a concurrent standing w ave in the southern Indian Ocean is proposed in this paper.Based on the ideal w ave principle,the average wave parameters of ACW is achieved using a non-linea r approximation method,by which we find that the standing part and the travelin g part possess similar radius frequency,proving their belonging to an integral s ystem.We also give the latitudinal distribution of wave speed with which we cou ld tell the reason for steady propagation during the same period.The spatial di stribution of the propagation reveals complex process with variant spatial and t emporal scales—The ENSO scale oscillation greatly impacts on the traveling process,while the result at the south of Australia indicates little connection betw een the Indian Ocean and the Pacific,which may be blocked by the vibration at t he west of the Pacific.The advective effect of ACC on the propagation process s hould be examined clearly through dynamical method.     

不同类型生态系统水热碳通量的监测与研究

亚太地区环境革新战略项目(APEIS) 在中国5种主要生态系统类型区(草地: 海北、耕地: 禹城、稻田: 桃源、林地: 千烟洲、荒漠: 阜康) 建立了一个以连续观测能量、水分和碳素通量为中心,包括气象、水文、土壤、植被等各项生态要素的监测网络系统,被称之为APEIS-FLUX系统。作者首先对APEIS-FLUX系统的观测数据进行了初步分析,表明该系统稳定可靠,它可以实时地提供高质量、高精度、长期而连续的通量及生态要素的观测数据。对数据的比较清楚地反映出了不同生态系统类型区的水热碳通量的差异性。其次,利用APEIS-FLUX数据对美国航空航天局(NASA) 的MODIS数据产品进行比较验证后发现,除部分产品如地表面温度(MOD11) 等与观测数据较吻合以外,大部分数据产品如土地覆盖(MOD12),叶面积指数(MOD15) 和光合速率与净第一性生产力(MOD17) 等都与观测数据相差深远,有必要对其处理程序和模式进行修正。为此,我们利用APEIS-FLUX的数据作为MOD15和MOD17的生成模型(BIOME-BGC) 的输入数据,并对该模型的有关参数进行了修订。结果表明,该模式在通过修正后,可以很好地模拟植被的生长过程及其相应的水热碳循环过程。