东海陆架水体季节尺度和季节内短时间尺度CO2动态变化研究——基于浮标观测

摘要

近岸水体在全球海洋碳循环中扮演重要角色，但由于其地处海陆交界以及受人为活动的扰动，近岸水体的碳循环过程复杂且多变，这种复杂的变化过程也反映在海水二氧化碳分压(pCO2)随时间的剧烈波动上。鉴于近岸水体海表pCO2的时间变异性，特别需要长期高频的时间序列观测，以甄别其在不同时间尺度的变化规律和调控机制，并且为一些难以通过船载观测捕捉到的短期剧烈变化事件（如台风）提供研究的机会。
　　本研究主要基于浮标观测，该浮标观测点位于东海中部陆架(124.5°E31°N)，水深约60 m，观测区域在夏季会受到长江冲淡水的显著影响，在冬季则会受到沿岸流和远岸流的共同影响。观测参数包括海表和大气pCO2、pH及其他相关参数，主要参数的观测频率为3小时，辅助参数（如温盐等）的观测频率为10分钟。本论文基于历时十个月（2012年7月28日至2013年5月30日）的连续观测数据，定量研究了海表pCO2在不同时间尺度的动态变化特征及主要调控机制，评估了海表pCO2测定的不同时间分辨率对海气CO2通量估算的影响，探究了台风过程对观测区域海表pCO2及其他参数的影响。
　　观测区域整体上表现为大气CO2的汇，但存在显著的季节变化，其中夏季和秋季为源，冬季和春季为汇。从季节尺度观之，海表pCO2从低到高分别出现在春、夏、冬和秋季，海表pCO2季节间变幅最大达到110μatm。由于受到台风和长江冲淡水的影响，夏季海表pCO2的变异尤为剧烈。从周日尺度观之，海表pCO2的日变幅在夏季远高于冬季，并且海表pCO2的变化在夏季和冬季表现为不同的半日潮变化特征，夏季为正向的半日潮变化特征，冬季为反向的半日潮变化特征。
　　观测区域海表pCO2的调控机制也表现出明显的季节变化特征。夏季海表pCO2的主要调控机制依据长江冲淡水的影响程度分别为水团混合作用（长江冲淡水影响显著期，体现为低盐度特征）和生物作用（长江冲淡水影响减弱期，体现为高盐度且温度）。秋季海表pCO2在台风影响时期的受水体垂直混合作用、海气交换作用和生物作用的共同调控，在层化瓦解及海气CO2交换恢复平衡时期主要受水体混合作用、温度和海气交换的共同调控。冬季海表pCO2同时受温度和水团对流混合作用的影响，海表pCO2表现为与温度一致的下降趋势。春季海表pCO2先受水团对流混合作用影响，之后在长江冲淡水影响下降低。在周日时间尺度上，海表pCO2在夏季主要受到温度、水团混合和生物作用的共同调控，在冬季则主要受温度和水团混合作用的调控，海表pCO2在夏季的变化受温度的影响大约为8％-18％，在冬季约为21％-45％，其余主要由潮汐驱动的水团混合作用贡献。
　　本研究还定量评估了不同采样频率对海表pCO2及海气CO2通量估算的不确定性的影响。在季节采样频率下，观测点年平均海表pCO2和海气CO2通量的不确定性分别为±15％和±268％，在月采样频率下，不确定性分别为±9％和±160％，在周采样频率下，不确定性分别为±3％和±57％，在日采样频率下，不确定性分别为±0.5％和±10％。可见，采样频率的提高可以显著提升海气CO2通量估算的准确度。我们的研究还表明，观测点海气CO2通量估算的不确定同时取决于海表pCO2和风速的动态变化，其中海表pCO2占的比例更大。
　　本研究还探讨了夏秋季经过观测区域的台风对海表pCO2、海气CO2通量及其他相关参数的影响，台风依其强度和移动速度的差异分别对观测区域的海表pCO2及其他相关参数有不同程度的影响，但总体上会提升海表pCO2和海气CO2通量。同时，在台风影响减弱后的5-10天会出现Chl-a浓度大幅度的增长及海表pCO2的降低，这一过程可能同时受到长江冲淡水水平迁移及浮游植物原位生产的影响，并且能缩短海气CO2交换重新恢复平衡所需的时间，水体混合后增大的DIC在海气交换和生物光合作用下能被利用71-77μmol/kg。
　　综上，近岸水体海表pCO2的变化特征和调控机制有鲜明的季节差异，且随着时间尺度的变化而变化，此外，近岸水体海表pCO2还可能受到台风等事件的显著影响，忽略短期变化可能会给相关通量估算带来相当大的不确定性。本研究强调了近岸观测需要更精细的时间分辨率对不同时间尺度变异性进行考量，因此，开展海表pCO2长期高频观测对于准确评估近岸水体CO2变化特征、调控机制以及CO2通量的估算是十分必要的。

目录

声明

图表目录

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 海洋碳酸盐系统

1．2．1 海水碳酸盐体系的调控机制

1．2．2 海水碳酸盐体系的时空变异性

1．3 全球海-气CO2通量

1．4 时间序列观测海表pCO2动态变化的研究现状

1．5 现有研究的不足

1．6 主要科学问题和研究内容

1．7 论文框架

第2章 研究区域和方法

2．1 研究区域概况

2．2 材料与方法

2．2．1 浮标平台

2．2．2 Battelle-CO2系统

2．2．3 pH传感器

2．2．4 其他传感器

2．2．5 浮标观测与现场观测数据的比对

2．3 数据处理方法

2．3．1 温度对pCO2的影响

2．3．2 海-气CO2通量的计算

2．3．3 海-气CO2交换停留时间

2．3．4 误差传递

第3章 海表pCO2季节变化和季节内短时间尺度变化特征及调控机制

3．1 海表pCO2季节变化特征及调控机制

3．1．1 海表pCO2及其他相关参数的季节变化特征

3．1．2 海表pCO2季节变化的主要调控机制

3．2 海表pCO2季节内短时间尺度变化特征及调控机制

3．2．1 海表pCO2及其他相关参数季节内短时间尺度变化特征

3．2．2 海表pCO2季节内短时间尺度变化的主要调控机制

3．3 海-气CO2通量的季节变化特征

3．4 海表pCO2和海气CO2通量不确定性评估

3．4．1 海表pCO2时间变异所导致不确定性的评估

3．4．2 不同参数时间变异对海气CO2通量的影响

3．5 小结

第4章 海表pCO2动态变化及海-气CO2通量对台风事件的响应

4．1 台风信息概括

4．2 海表pCO2及其他参数对台风事件的响应

4．3 台风后海表pCO2的恢复过程

4．4 海-气CO2通量对台风事件的响应

4．5 小结

第5章 总结与展望

5．1 论文总结

5．2 工作展望

参考文献

致谢

学术活动

参加航次

论文发表